Индукционный ток — это ток, вызванный явлением электромагнитной индукции.
Фарадей провел множество экспериментов, изучая это явление, и обнаружил, что для протекания индукционного тока в (замкнутой!) цепи необходимо выполнение следующего условия:
Поток магнитного поля через поверхность, охватываемую этим контуром, должен меняться.
Это условие должно выполняться независимо от глубинной причины протекания электрического тока (магнитная или электрическая сила, действующая на электроны).
Но как сделать так, чтобы поток магнитной индукции менялся? Как получить индукционный ток? Эта статья расскажет вам об этом.
Теория
Поток магнитной индукции B через поверхность S называется скалярным произведением векторов B и S. По определению, | S | совпадает с площадью S, а направление S перпендикулярна (нормальна) к этой области.
ФB = B * S = B * S * cos α
Где α угол между B и S.
Поток изменится, если изменится любая из величин в вышеуказанном произведении: площадь поверхности, значение магнитной индукции, угол между площадью поверхности и вектором индукции — при условии, что произведение, определяющее ФB не остается постоянным.
Линии магнитного поля в сравнении с магнитным потоком через поверхность
Когда мы представляем магнитное поле линиями поля, мы интерпретируем плотность этих линий как меру величины индукции B этого поля. Аналогичным образом мы интерпретируем поток магнитного поля через поверхность S. Чем больше линий поля проходит через эту поверхность, тем больше значение потока ФB.
Образно говоря, поэтому изменение потока всегда будет связано с изменением числа линий магнитного поля, проходящих через поверхность контура.
Относительное движение магнита и электрической цепи
Поток магнитной индукции через поверхность контура, в котором мы индуцируем электрический ток, будет меняться при изменении расстояния между контуром и стержневым магнитом (рис. 1.). Тогда значение индукции B в формуле (1) изменится.
Стержневой магнит (bar magnet): магнит кубовидной формы, одна грань которого значительно длиннее двух других, близких по размеру. Такой магнит намагничен так, что линии поля в его внутреннем пространстве параллельны (приблизительно) его длинному краю.
Изменение потока будет происходить независимо от того, какой объект — магнит или цепь — перемещается. Если бы мы заменили магнит электромагнитом, то необходимость в движении вообще отпала бы. Достаточно отрегулировать электрический ток, протекающий в электромагните. В любом случае количество линий поля, проходящих через поверхность, изменится.
Вращение контура
Магнитный поток также может быть изменен путем изменения ориентации поверхности S относительно магнита. Это приводит, согласно уравнению (1), к изменению угла α между векторами B и S.
Достаточно, например, повернуть контур (см. рисунок 2).
Вы также можете вращать магнит. Но это должно быть сделано таким образом, чтобы изменилось число линий магнитного поля, пересекающих поверхность, охватываемую окружностью. Это объясняется тем, что если повернуть круговой периметр вокруг оси симметрии магнита, то количество линий поля, пересекающих поверхность, не изменится — магнитный поток будет постоянным.
Эксперименты по формированию индукционного тока
Если бы мы хотели провести эксперименты, исследующие явление электромагнитной индукции, нам нужно было бы обеспечить выполнение следующих условий:
- Первое: у нас должен быть чувствительный амперметр (гальванометр) с нулем в середине шкалы в качестве индикатора индукционного тока.
- Второе: чтобы индукционный ток был измерим, т.е. чтобы ток имел достаточно большое значение, магнитный поток должен быть большим. Практически это реализуется с помощью катушки. Идея заключается в том, чтобы увеличить значение площади поверхности, охватываемой контуром. Для одиночного контура, через который будет проходить магнитное поле, значение площади будет равно площади поперечного сечения контура. Для катушки с витками он будет в разы больше, и именно настолько больше будет поток по сравнению с потоком через одну катушку.
- В-третьих, у нас должен быть источник достаточно сильного магнитного поля. Это может быть постоянный магнит (например, неодимовый) или электромагнит.
После этого мы можем продолжить. Сначала нужно подключить гальванометр к цепи с катушкой, в которой мы хотим вызвать ток. Затем мы должны создать экспериментальную ситуацию, в которой поток магнитного поля через катушку изменяется. Самый простой способ сделать это — вдвигать и выдвигать магнит из катушки. То же самое, конечно, можно сделать, заменив магнит электромагнитом. Вы заметите, что при этом стрелка гальванометра будет колебаться то в одну, то в другую сторону.
Вместо того чтобы перемещать магнит или электромагнит, мы можем перемещать катушку с тем же эффектом. Каждый раз, как и раньше, поток магнитного поля в катушке будет меняться.
Мы заметим, что сила индукционного тока тем больше, чем быстрее движется контур относительно источника магнитного поля, т.е. чем быстрее изменяется магнитный поток. В свою очередь, направление индукционного тока будет зависеть от того, увеличивается или уменьшается магнитное поле внутри катушки, а также от направления вектора магнитной индукции — т.е. ориентации полюсов источника поля относительно катушки.
Наконец, мы можем вызвать индукционный ток совсем другим способом, не используя относительное движение источника магнитного поля и цепи, в которой мы хотим вызвать ток. Все, что нам нужно сделать, это поместить электромагнит внутрь катушки и включить питание электромагнита. Тогда внутри электромагнита возникнет магнитное поле, которое вызовет изменение магнитного потока через катушку. При включении электромагнита в катушке протекает ток, который довольно быстро исчезает. Когда электромагнит выключен, ток будет течь в противоположном направлении.
На рисунке 3, каждый из видимых шести «штырьков» представляет собой магнит, вокруг которого намотано не менее нескольких тысяч витков тонкой медной проволоки. Обмотка покрывается воском, чтобы избежать «микрофонии», т.е. шума, возникающего из-за небольших перемещений частей обмотки относительно других. Вблизи полюсов струны со стальным сердечником вибрируют, тем самым возмущая магнитное поле — это приводит к возникновению электрического напряжения в обмотке; сигнал затем направляется на усилитель и громкоговоритель. На фотографии изображен один преобразователь, так называемый одиночный.