Що таке індукція: визначення, види та особливості

Відомо, що електричний струм, поточний по провіднику, породжує навколо себе магнітне поле. А може в природі існувати зворотний процес? Може магнітне поле бути використане для створення електричного струму?

У XIX столітті фізики серйозно над цим замислилися. Одним з таких вчених був англієць Майкл Фарадей (на фото вище). Саме він розповів всьому світові, що таке індукція.

Перетворення механічної роботи в енергію і навпаки

Електромагнітна індукція — це явище, на якому тримається майже вся сучасна енергетика. Відомо, що механічну роботу можна перетворити в тепло. Це зробити дуже легко, потрібно просто потерти долоні одна об одну. Так механічна робота переходить у внутрішню енергію долонь. Можливий зворотний процес? Можна теплову енергію (внутрішню) перетворити в механічну роботу? Можна, і це реалізовано, наприклад, у двигунах внутрішнього згорання.

Отже, в природі існує можливість провести процес в одному напрямку — перетворити внутрішню роботу в теплову енергію. Яким чином зробити все навпаки — внутрішню енергію перетворити в механічну роботу (енергію)? Це відкриття зробив Майкл Фарадей.

Тернистий шлях Фарадея в науку

Сім’я Майкла жила в передмісті Лондона і ледве зводила кінці з кінцями. Продукти харчування були настільки дорогими, що на тиждень хлопчикові виділяли одну буханку хліба, іншої їжі не було. Фарадей не став працювати у батька в кузні, не став допомагати мамі-покоївки. Коли йому виповнилося дванадцять, він влаштувався в книжковий магазин. Спочатку він працював посильним, а потім помічником палітурника, саме це вирішило долю Фарадея.

Він мав доступ до сотень книг, але найбільший інтерес у нього викликали праці з різних розділів природознавства. Так Майкл захопився науками, він читав Британську енциклопедію та інші наукові видання. Багато досліди, які були там описані, хлопчик, незважаючи на свій скромний достаток, повторював.

Здавалося, що простому палітурнику неможливо пробитися в науковий світ, але в долю втрутився випадок. В книжковий магазин, де працював Фарадей, часто приходили дослідники з Британської академії. Вони побачили, що Майкл читає Британську енциклопедію, помітили його зацікавленість, жагу знань, тому запропонували йому відвідати лекцію світового світила науки Гемфрі Деві.

Деві читав курс популярні лекції з фізики і хімії. Хлопчик законспектував лекції, красиво переплів конспект і передав їх вченому з проханням, щоб той взяв його до себе на роботу.

Деві відмовив юному даруванню, тому що на той момент не було вакансій, однак Фарадей в черговий раз посміхнулася удача. У лабораторії, де працював Гемфрі Деві, стався вибух, і скляний посуд, луснувши, пошкодила зір фізика. Якийсь час вчений не міг читати і писати. На щастя, він згадав про хлопчика, який цікавиться наукою, і запросив його до себе в поміч. Через деякий час Деві остаточно взяв Фарадея до себе на роботу.

Невдалі спроби Фарадея перетворити магнетизм в електрику

Розберемо досвід, який проводив Фарадей, щоб відкрити, що таке індукція. Він взяв досить товсте залізне кільце і намотав на нього кілька котушок, які були ізольовані один від одного. Одну котушку фізик підключив до гальванометру, а іншу приєднав до джерела струму. Замикаючи ланцюг, Фарадей помітив, що стрілка гальванометра смикалася. Він перевіряв ізоляцію і то, не перетікає частина струму в іншу котушку. Але виявлялося, що ізоляція скрізь справна.

Ще дивніше було те, що навіть при розмиканні ланцюга стрілка гальванометра теж смикалася. Надалі Фарадей вдалося розібратися, в чому причина цього явища. Щоб прийти до цього розуміння, він використав не тільки котушки з кількома обмотками, але і залізні стрижні, магніти. Науковець розмірковував, як можна перетворити магнетизм в електрику.

Перший успіх

Відкриття явища електромагнітної індукції датована 29 серпня 1831 року. Через 11 років після дослідів Ерстеда, коли було отримано магнітне поле з допомогою електричного струму, Фарадей вдалося отримати індукцію магнітного струму. Але це був тільки початок досліджень. Для того щоб розібратися, що відбувається, фізик провів цілу серію експериментів, в яких брала участь котушка, підключена до гальванометру. Далі ми опишемо досвід Фарадея.

Експерименти Ампера

Такі ж досліди повторював і Ампер. Правда, гальванометри, якими користувалися обидва вчених, були не такими, як у нас. Це були дуже чутливі до вібрацій прилади, тому їх встановлювали в окремій кімнаті. Ампер засовували в котушку магніт і пішов у сусідню кімнату. Коли він йшов, то не бачив, що відбувається з гальванометром, як прилад реагує. Потім він вставляв магніт, повертався в кімнату з пристроєм, а стрілка показувала на позначку нуль. Ампер йшов в лабораторію і витягав магніт з котушки. Повертався до гальванометру — стрілка знову показувала на нуль, фізику ніяк не вдавалося «зловити» індукцію провідника. Ампер розчаровувався знову і знову.

Чому Фарадей вдалося зробити відкриття

У Фарадея був помічник на прізвище Андерсон. Сорок років він асистував Фарадей в лабораторії. Вони працювали вдвох: Андерсон в одній кімнаті дивився за показаннями гальванометра, а Фарадей в інший брав котушку і вставляв у неї магніт. Виконуючи дію, Фарадей почув через відкриті двері слова Андерсона про те, що стрілка відхилилася. Коли він вийняв магніт, то помічник повідомив, що стрілка відхилилася в іншу сторону.

Потім Фарадей змінив полярність магніту і вставив його в котушку іншим полюсом. Андерсон сказав, що відхилилася стрілка гальванометра в ту ж сторону, що і в останній раз. Пізніше Фарадей пояснював це явище зміною вектора індукції. При витаскуванні магніту з котушки стрілка відхилилася в ту ж сторону, що і в перший раз. Фарадей і Андерсон побачили, що рух магніту в котушці породжує в ній електричний струм.

Проведення досвіду

Щоб вивчити індукцію, проведемо досвід з постійним магнітом. Підключимо котушку до гальванометру. Не обов’язково вводити магніт всередину, як це робив Фарадей, можна вставити у неї залізний сердечник. Стрілка при цьому не відхиляється, але оскільки залізо посилює поле, то великий магніт можна рухати навіть далеко від котушки. Стрілка гальванометра буде відхилятися все одно. Отже, рух магніту біля або всередині котушки породжує в ній електричний струм.

Заміна магніту

Фарадей вирішив провести досвід з електромагнітом. Щоб зрозуміти, що таке індукція, ми повторимо тест вченого. Візьмемо котушку (літера А на рисунку), на яку намотано провід. Щоб він створював поле, підключимо його до джерела струму і включимо. Бачимо, що сила струму близько 1-1,5 ампера. По котушці тече струм, тому вона перетворилася на електромагніт. Вставляємо, а потім виймаємо меншу котушку з більшою (літера на малюнку), і бачимо, що стрілка гальванометра (прилад на рисунку позначений літерою G) реагує.

Індукційний струм

Фарадей замислився, чому ж причина — в самому русі або у тому, що коли магніт рухається, змінюється магнітна індукція однорідного поля всередині котушки. Може бути, справа зовсім не в русі, а в зміні магнітного поля? Як це перевірити? Потрібно зробити так, щоб поле змінювалося, а руху ніякого не відбувалося. Для цього можна збільшувати або зменшувати силу струму.

Пристрій для зміни сили струму в колі — це реостат. Підключимо його послідовно до электромагниту. Струм від джерела піде спочатку через реостат, другий висновок приладу підключимо до котушці, а другий висновок останньої — до джерела струму. Тепер можна регулювати силу струму. Вставляємо електромагніт — струм тече, стрілка гальванометра реагує. Так відбувається із-за руху магніту або зміни електромагнітного поля? Перевіримо. Змінимо силу струму. Побачимо, що коли вона змінюється, то ж відбувається і з магнітним полем в котушці. В результаті виникає струм у другій котушці. Він називається індукційним.

Що таке індукція

Якщо вимкнути джерело струму або включити його, то гальванометр на короткий час дає якісь свідчення. Коли це помітив Фарадей, йому стало зрозуміло, що саме зміни магнітного поля в котушці створюють в ній електричний струм.

Явище електромагнітної індукції поля, відкрите Фарадеєм, полягає в тому, що при зміні магнітного поля в замкнутому контурі (у нашому випадку це котушка) в ньому виникає електричний струм.

Електромагнітну індукцію можна спостерігати і в такому випадку. Візьмемо великий магніт, наблизимо, а потім видалимо його від котушки. При цьому виникає індукційний струм. Але можна поступити і по-іншому. Котушку, не наближаючи і не видаляючи, просто обертати в магнітному полі. Побачимо, що виникає індукція, напрямок якої змінюється. При цьому змінюється кількість ліній магнітного поля, що пронизують котушку.

Чому виникає струм

Коли в якійсь точці простору, наприклад, всередині котушки, змінюється поле та кількість ліній магнітної індукції, виникає електричне поле. Змінне магнітне поле породжує електричне. Провід, який намотаний на котушку, виявляється в електричному полі, і воно змушує електрони всередині проводу рухатися. А що якщо електромагніт нерухомий, а котушка рухається назустріч йому? Відбувається те ж саме. Виходить, що магнітне поле навколо електромагніту постійно.