Условие
К катушке подключили гальванометр, но батарейку не подключили. Когда магнит вносят внутрь катушки, стрелка прибора отклоняется; когда магнит лежит внутри неподвижно, стрелка стоит на нуле; когда магнит вынимают, стрелка отклоняется в другую сторону. Объясни все три наблюдения и скажи, на чём работает генератор на электростанции.
Что известно и что ищем
- Известны три положения магнита и поведение прибора в каждом случае.
- Ищем условие возникновения индукционного тока и объяснение смены направления.
- Дополнительно нужно связать явление с работой электростанции.
Ход решения
- Шаг 1. Разбираем первый случай. Магнит движется, поле внутри катушки меняется — и в цепи появляется ток. Это индукционный ток, а само явление называют электромагнитной индукцией. Его открыл Фарадей своими опытами.
- Шаг 2. Разбираем второй случай. Магнит лежит неподвижно, поле хоть и есть, но не меняется, и стрелка стоит на нуле. Отсюда главное правило: сам факт наличия поля тока не рождает, ток появляется только при его изменении.
- Шаг 3. Объясняем смену направления. При внесении магнита поле растёт, при вынимании — убывает. Направление индукционного тока зависит от того, как меняется поле, поэтому стрелка отклоняется в разные стороны.
- Шаг 4. Формулируем правило Ленца. Возникший индукционный ток всегда противодействует тому изменению, которое его вызвало: не пускает магнит внутрь и не отпускает его наружу. Именно поэтому при движении магнита приходится преодолевать сопротивление — на это и расходуется энергия, которая превращается в электрическую.
- Шаг 5. Переходим к электростанции. В генераторе вращается ротор с магнитами (или с обмоткой), а рядом стоит неподвижная обмотка. От вращения поле непрерывно меняется, поэтому в обмотке всё время возникает индукционный ток. Турбину вращает вода на ГЭС, пар на ТЭС или ветер на ветряке — так вращение превращается в электричество без всякой батарейки.
Проверь себя
- Ответ: индукционный ток появляется только тогда, когда магнитное поле меняется; при внесении и вынимании магнита ток имеет разные направления; генератор работает на электромагнитной индукции.
- Проверка вывода: если двигать магнит быстрее, стрелка отклонится сильнее, а если совсем остановить — прибор показывает ноль. Поведение прибора зависит от скорости изменения поля, как и должно быть.
- Ловушка: считать, что ток в катушке «накопился» от лежащего магнита. Пока магнит покоится, тока нет вообще: нужен именно процесс изменения поля.
Как объяснить ребёнку
«Магнит сам по себе ток не даёт — сколько его ни положи рядом, стрелка не шевельнётся. Ток рождается только движением: магнит вносят или вынимают, поле меняется, и в проводе появляется ток. Почувствуй, как магнит «сопротивляется», когда его толкаешь в катушку: именно эту силу мы и превращаем в электричество. На электростанции турбина крутит магниты, и ток идёт в город».
Тема для отчёта родителю
«Явление электромагнитной индукции: опыты Фарадея и генератор».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.