Глава 1. Структура и содержание учебного материала
§ 4. Конструирование учебных текстов, ориентированных на интегрированную структурно-логическую схему изучения физических явлений
4.3 Пример "Максимального текста" (Часть 1)

    ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ § 1. Взаимоиндукция 1.1. Истоки проблемы
   В 1820 г. датский физик Х.К. Эрстед экспериментально установил связь между электрическим током и магнитным полем. Опыт Эрстеда нетрудно повторить.

Рис.1 Опыт Эрстеда
   Натянем между двумя изолирующими штативами нихромовую проволоку и подсоединим ее с помощью гибких проводников к источнику постоянного тока.
   Расположим проволоку над сориентированной в магнитном поле Земли магнитной стрелкой так, чтобы она была ей параллельна.
   Включим источник тока и пропустим по проволоке ток такой силы, чтобы она нагрелась докрасна.
   Магнитная стрелка поворачивается в направлении, перпендикулярном проволоке.
   Выключим источник тока и перенесем магнитную стрелку так, чтобы она располагалась над проволокой, по-прежнему, параллельно ей.
   Вновь включим источник тока.
   Магнитная стрелка поворачивается в обратном направлении.
   Изменим направление тока в цепи, поменяв полярность подключения проволоки к источнику тока. Повторим опыт.
   Магнитная стрелка вновь меняет направление своего вращения и устанавливается перпендикулярно проволоке.
   Таким образом:
   Если по проводнику идет электрический ток, вокруг проводника возникает магнитное поле, которое можно исследовать с помощью магнитной стрелки.
   Говоря не очень точным языком науки того времени, когда впервые были проведены аналогичные опыты,
   "Электричество порождает магнетизм".

1.2. Постановка задачи
   Открытие Эрстеда, сделанное в результате простого эксперимента, послужило толчком к развитию нового направления в естествознании - учения об электромагнетизме. Кроме того, что это открытие повлекло за собой цепь новых фундаментальных экспериментов в области исследования связей между электрическими и магнитными явлениями (изучение взаимодействия параллельных токов А. Ампером), оно привело к ряду важнейших изобретений, в частности, электромагнита (1820 г., Ф. Араго), электродвигателя (1821 г., М.Фарадей) и дало объективный метод измерения электричества, оно натолкнуло целый ряд естествоиспытателей на мысль: если электричество порождает магнетизм, то не может ли магнетизм породить электричество?
   Именно так поставили себе задачу: найти связь между магнетизмом и электричеством А. Ампер и М. Фарадей. Но Ампер от решения задачи вскоре отказался и даже пытался убедить Фарадея последовать его примеру. Однако упорство Фарадея вызывает удивление и восхищение. Будучи убежденным в существовании не только прямой связи между электричеством и магнетизмом, но связи обратной, он искал эту связь 11 лет!!!
   Разумеется, Фарадей в течение этого времени не замыкался только на решении этой задачи, он выполнял множество других дел и решал другие задачи. Поиск затруднялся и из-за отсутствия необходимых для экспериментов материалов. В распоряжении Фарадея не было даже обычного для нас провода с изоляцией. Не было у него и чувствительных приборов, способных зарегистрировать слабые эффекты, которые он искал. В ряде случаев Фарадей подходил исключительно близко к открытию, затем вновь удалялся от него.
   Аналогичным образом обстояли дела и у других исследователей. Истории науки известен поистину печальный для одного из ее представителей факт. В 1825 г. Колладон проводил эксперимент, который давал тот же результат, что в дальнейшем получил Фарадей. Однако в целях исключения влияния мощного магнита на электроизмерительный прибор, последний был перенесен в другую комнату. К тому времени, когда Колладон доходил до прибора, всякое движение его стрелки прекращалось. Эффект зарегистрирован не был!
   Ответ на вопрос о возможности порождения магнетизмом электричества искал и нашел его независимо от Фарадея американский физик Д. Генри. Но Генри запоздал с публикацией своих результатов и приоритет открытия явления, названного явлением электро-магнитной индукции, принадлежит английскому физику М. Фарадею.

1.3. Исходные опыты
   Фарадей проводил свои опыты на самодельных, весьма примитивных с нашей точки зрения и к тому же малочувствительных приборах.
   Пронаблюдать эффекты, зарегистрированные Фарадеем, можно в несколько видоизмененном виде с помощью современных приборов.

Рис. 2. Современный вариант опыта Фарадея с постоянным магнитом
   Соберем установку, состоящую из соединенных между собой проволочной катушки и гальванометра (чувствительного прибора, служащего для обнаружения электрического тока в замкнутой цепи, определения его величины и направления).
   Будем вводить в катушку постоянный магнит южным полюсом.Стрелка гальванометра отклоняется вправо.
   Когда магнит находится в состоянии покоя, стрелка гальванометра указывает на ноль.
   При выведеии магнита из катушки, стрелка гальванометра отклоняется влево.
   Введем магнит в катушку северным полюсом.
   Стрелка гальванометра отклоняется влево.
   Когда магнит покоится, стрелка указывает на ноль.
   При выведении магнита из катушки, стрелка гальванометра отклоняется вправо.
   Изменим скорость движения магнита относительно катушки.
   При медленном движении магнита относительно катушки, сила тока в цепи меньше, чем при быстром движении магнита.

Рис. 3. Современный вариант опыта Фарадея с электромагнитом.
   Соберем установку, состоящую из двух электрически не соединенных между собой цепей. Первая цепь состоит из последовательно соединенных источника постоянного тока, реостата, выключателя и проволочной катушки. Вторая цепь - индикаторная. Она состоит из гальванометра и другой проволочной катушки. Одна катушка находится внутри другой. Катушки неподвижны относительно друг друга.
   При помощи реостата будем изменять силу тока в первой цепи.

Рисунок 4. Изменение силы тока в цепи электромагнита с помощью реостата
   Стрелка гальванометра отклоняется от нулевого деления, что указывает на наличие тока в индикаторной цепи.
   При увеличении тока в первой цепи, стрелка гальванометра отклоняется в одну сторону, а при уменьшении - в другую.
   Когда ток в первой цепи не меняется, стрелка гальванометра указывает на ноль.

Рис. 5. Эффект вызывается путем изменения магнитной проницаемости среды.
   Внесем внутрь второй катушки стальной сердечник.
   При движении стального сердечника стрелка прибора отклонятся то вправо, то влево, в зависимости от направления его движения .
   Если сердечник покоится относительно катушки, стрелка прибора не отклоняется.

Рис. 6. Эффект возникает при относительном движении элементов установки.
   Будем перемещать катушку с помещенным внутрь нее стальным сердечником относительно другой катушки.
   Стрелка прибора отклоняется то вправо, то влево, в зависимости от направления движения катушки. При этом величина отклонения стрелки прибора значительно больше, чем в случае аналогичного движения катушки без сердечника.

Рис.7. Эффект возникает при включении и выключении источника постоянного тока.
   Будем включать и выключать источник тока.
   При включении источника тока, стрелка прибора отклоняется вправо от нулевого деления. При выключении источника тока, стрелка прибора отклоняется влево от нулевого деления.
   Если по катушке протекает постоянный по величине и направлению электрический ток, стрелка электроизмерительного прибора, включенного в цепь другой катушки, не отклоняется от нулевого деления.

Рис. 8. Вращение проволочного кольца в магнитном поле.
   Подсоединим проволочное кольцо к стрелочному электроизмерительному прибору.
   При вращении кольца между полюсами постоянного магнита, электроизмерительный прибор показывает наличие изменяющегося по величине и направлению тока в цепи.
   Если кольцо покоится относительно магнита, тока в цепи нет.

1.4. Первые выводы
Объединяет все опыты то обстоятельство, что в электрической цепи, не содержащей источника тока, образующей замкнутый контур, пронизываемый магнитным полем, наводится (индуцируется) электрический ток.

Рис. 9. а) Магнитно-силовые линии перпендикулярны плоскости контура; б) магнитносиловые линии образуют угол с нормалью к поверхности контура.
   Чтобы отличать этот электрический ток от электрического тока, созданного источником, включенным в цепь, назовем его индукционным током.
   В разных опытах индукционный ток появляется за счет разных причин, но везде эти причины связаны с магнитным полем, точнее с его изменением.
   В одних случаях, различными способами изменяется индукция магнитного поля, пронизывающего контур, в других, меняется площадь контура, пронизываемого магнитным полем, или его ориентация относительно магнитного поля.
   Чтобы легче было объединить причины возникновения индукционного тока, можно ввести физическую величину - магнитный поток (Ф).
   Назовем магнитным потоком физическую величину, равную произведению модуля вектора индукции магнитного поля на площадь контура, пронизаваемого этим магнитным полем и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к поверхности, ограниченной контуром :Ф = B*S*cos(a)

Рис. 10. Плотность силовых линий дает представление о величине индукции магнитного поля.
   На чертеже представление о величине магнитного потока можно отразить с помощью большего или меньшего числа магнитных силовых линий, пронизывающих тот или иной контур.
   Чтобы получить единицу магнитного потока, надо в его определяющее уравнение Ф = B*S*cos(a) подставить единицы магнитной индукции - 1 Тл и площади - 1 м².
   Получаем: [Ф] = 1 Тл . 1 м² . Эта единица имеет собственное наименование - 1 вебер (1 Вб).
   С учетом введенной величины можно сделать вывод: при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в этом контуре возникает индукционный ток.

Содержание