Электромагнитная индукция вокруг нас: другой взгляд на привычный нам мир

Термин «электромагнитная индукция», как можно понять из ее названия, связан с электрическим и магнитным полями. Первое по умолчанию существует в любом предмете: ведь все физические тела состоят из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов.

Однако ручка, лежащая на столе, не будет бить вас током, ровно как и металлический столб от фонаря на улице. Тем не менее, если в последний ударит молния, он станет проводником электрического тока. Откуда он берется, если никакого аккумулятора или батарейки в небесах нет?

Возникновение тока может быть обусловлено изменениями в магнитном поле. Да, не только электричество может создавать магнитное поле. В XIX веке обнаружили, что, если магнитный поток меняется с течением времени, то в замкнутой цепи (то есть не в обычном проводе) может появиться электричество.

Это и есть электромагнитная индукция (от лат. inductio «выведение»). Благодаря этому открытию сегодня нас окружают ноутбуки, телевизоры, смартфоны, светильники и многие другие элементы техники, без которых мы сегодня уже не представляем свою жизнь.

В первой половине XIX века, а именно в 1831 году, 29 августа английский физик Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. И это не было случайностью: он более 10 лет ставил опыты, на основе которых хотел установить взаимосвязь магнитного и электрического полей.

С детства Фарадей работал в книжном магазине. Его семья нуждалась в деньгах, а потому мальчик даже школу не окончил. Нет, не стоит искать взаимосвязь неоконченного образования и гениального открытия. Помогли Майклу желание учиться и стремление к физике. И вот, в 1820 году он заинтересовался, что общего у электричества (в то время активно развивалась новоиспеченное ответвление науки — электростатика) и магнита.

С чем имел дело Фарадей? Во-первых, с катушками. Причем витки одной из них находились между витками второй. Первая катушка подключена к гальванометру (прибору, улавливающему электрический ток), а вторая — к источнику электричества. Вся эта замкнутая конструкция располагалась на основе, не проводящей ток.

Понять, что происходит в такой конструкции, не составляет труда и школьнику. При замыкании цепи электричество поступает от источника тока к гальванометру. Прибор показывает определенное количество электричества, выраженное в импульсе. А что будет, если цепь разомкнуть? Нет, ток никуда не денется. Импульс останется, но просто поменяет свое направление на противоположное. Удивительно? Да, наверняка Фарадей тоже удивился.

Он заметил: когда он двигал одну катушку относительно другой, возникал электрический импульс. Это означало, что на наличие тока влияло движение магнитного поля катушки. Так Майкл Фарадей создал трансформатор. Электричество начало появляться в домах уже спустя 50 лет после этого знаменательного дня.

Итак, давайте подробнее разберем, что же делал Фарадей, чтобы понять, что за «фрукт» эта электромагнитная индукция. Сегодня разделяют 2 опыта Майкла Фарадея.

Повторить первый и основной эксперимент английского физика вы можете и в домашних условиях.

Катушку нужно напрямую подключить к амперметру. Если внутрь катушки помещать магнит, а затем вынимать его, вы увидите, как стрелка амперметра двигается. Причем, если вы вносите магнит, а стрелка перемещается вправо, то по мере удаления магнита от катушки направление стрелки амперметра будет меняться на противоположное.

Также играет немаловажную роль то, каким боком вы вносите магнит в катушку: если севером внутрь, то сначала амперметр покажет отрицательные значения, а потом положительные.

В данном опыте участвуют уже две катушки. Одна из них подключена к источнику тока, а вторая — к амперметру. Между собой катушки никак не соединены, но одна стоит на другой (то есть их магнитные поля пересекаются). Размыкая и замыкая цепь, вы устроите стрелке амперметра настоящую дискотеку: она будет отклоняться то вправо, то влево, пропорционально вашим движениям.

Вывод Майкл Фарадей сделал следующий: наличие тока при электромагнитной индукции зависит от наличия переменного магнитного поля рядом с цепью. А уж появляется такое поле от магнита или от другой катушки — это не имеет большого значения.

Словесно этот закон можно обозначить следующим образом. Электродвижущая сила вокруг замкнутого контура равна отрицательной скорости изменения во времени магнитного потока, окружённого контуром.

Позже физик из Шотландии, Джеймс Клерк Максвелл, упорядочил знания об электромагнитной индукции четырьмя уравнениями. В эту систему вошли следующие теоретические знания:

Практика — это, конечно, хорошо, но зафиксировать полученную информацию просто необходимо, даже если в голове есть лишь слово «эврика». Так Майкл Фарадей и поступил. Он вывел формулу, которая неизменно печатается в школьных учебниках по физике:

Более кратко закон электромагнитной индукции звучит так: генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Фарадей не только подарил нам неограниченное количество электричества, но и значительно «уплотнил» учебники по физике. Ни одна школа не обходится без повторения опытов Фарадея. Для того, чтобы написать лабораторную на пятерку, нужно учитывать следующее:

Если же вы решаете практические задачи по применению закона Фарадея, давайте разберемся, как сделать это правильно.

По катушке индуктивностью 8 мкГн течет ток в 6 А. Определить среднее значение ЭДС самоиндукции, возникающей в цепи, если сила тока изменяется почти до нуля за 5 мс.

Дано:

Найти:

Решение:

Формула магнитного потока:

Ф=?·?

По закону Фарадея:

<?>=∆Ф∆?=-?∆?∆?

Так как индуктивность не меняется, а магнитный поток изменяется только ввиду снижения силы тока до нуля (ΔI = I), то справедлива формула:

<?>=-??∆?

Подставим числа и вычислим:

<?>=-8·10-6·65·10-3=-9,6·10-3 В

Ответ: -9,6 мВ.

Сколько можно летать? «Пока хватит топлива», — скажет любитель самолетов. «Пока аккумулятор не сядет», — скажет владелец модного беспилотника. «Сколько захочется», — возразит Сэмер Альдрахер (Samer Aldhaher) из Имперского колледжа Лондона.

Демонстрируя возможности технологий беспроводной передачи энергии, физик придумал несложную модификацию миниатюрного квадрокоптера, купленного в магазине, и снял с него бортовые элементы питания. Вместо них на дрон установлена простейшая спираль из медной ленты — находясь поблизости от индуцирующей медной катушки, аппарат остается в воздухе столько, сколько душе угодно.

Конструкция системы Альдрахера совсем проста, но еще проще — устройство для демонстрации электромагнитной индукции в беспроводной передаче электричества, сборку которого демонстрирует ролик YouTube-канала Ludic Science. Удивить окружающих, заинтересовать ребенка: все, что понадобится — моток медной проволоки, транзистор, батарейка, с которой мы будем передавать энергию, и светодиод, который попробуем зажечь. Все детали объясняются в ролике, и не пугайтесь, что он на английском, схема действительно проще некуда.

Жаль, что такие простые системы очень неэффективны: индуцирующая катушка распространяет энергию ненаправленно, и львиная доля ее теряется, так и не попадая на заряжаемое устройство. Впрочем, радиофизики находят довольно остроумные способы обходить это ограничение.

Например, компания Ossia продвигает беспроводные «зарядки», встроенные в стены или в виде отдельно стоящих устройств — и способные эффективно заряжать даже такой прожорливый гаджет, как iPhone. Специальный модуль на самом смартфоне рассылает слабые сигналы, часть которых (как напрямую, так и отразившись от окружающих предметов) попадает на заряжающее устройство и позволяет определить положение смартфона в пространстве. Дальнейшее — дело техники: ответные высокоэнергетические импульсы отправляются по тем же направлениям в обратную сторону, с частотой 100 Гц.

Ну а чтобы добраться до самой сути и выяснить, как работают такие устройства, нет ничего лучше, чем посмотреть старое доброе кино. 20-минутный научно-популярный фильм «Электромагнитная индукция». Вышедший в 1978 г. на «Леннаучфильме», он ничуть не устарел, как не стареют и законы физики.