Чи може звичайний магніт створити електричний струм? Так може! Електромагнітна індукція — явище, завдяки якому рух магніту відносно котушки може викликати появу електричного струму. Саме електромагнітна індукція стала фізичною основою генераторів, які сьогодні виробляють електроенергію для мільярдів людей.
Ми вже знаємо, що електричний струм створює навколо провідника магнітне поле. Але тоді виникає природне запитання: якщо електрика може створювати магнітне поле, чи можна зробити навпаки — за допомогою магніту отримати електричний струм?
Майкл Фарадей і електромагнітна індукція
Виявляється, можна. У 1831 році Майкл Фарадей відкрив явище, яке сьогодні називають електромагнітною індукцією. Саме воно дозволило людству навчитися перетворювати механічну енергію на електричну.
Проведемо простий дослід. Нам знадобляться котушка з мідного дроту, постійний магніт і прилад, здатний зафіксувати навіть невеликий струм. З’єднаємо кінці котушки з приладом і піднесемо до неї магніт. Поки магніт нерухомий, нічого не відбувається.
А тепер почнемо вводити магніт усередину котушки. Стрілка приладу відхиляється — у колі виникає електричний струм. Зупиняємо магніт — струм зникає. Починаємо витягувати його — струм виникає знову, але тепер стрілка відхиляється в інший бік. Отже, напрямок струму змінився.
Спробуємо рухати магніт із різною швидкістю. Якщо робити це повільно, відхилення стрілки буде невеликим. Якщо швидко — значно більшим. А якщо залишити магніт нерухомим і натомість рухати котушку, струм теж виникне.
Отже, справа не в тому, що рухається саме магніт чи саме котушка. Важливо, щоб під час цього руху змінювалося магнітне поле, яке пронизує площу витків котушки.
Щоб описати це точніше, фізики використовують поняття магнітного потоку. Спрощено кажучи, він показує, наскільки сильно магнітне поле пронизує певну площу.
Електрорушійна сила (ЕРС)
Коли магніт наближається до котушки, магнітний потік через її витки змінюється. Коли магніт віддаляється — він знову змінюється. Саме зміна магнітного потоку приводить до появи електрорушійної сили (скорочено ЕРС). А якщо електричне коло замкнене, під дією цієї ЕРС у ньому виникає струм.
Це явище й називається електромагнітною індукцією.
Причому важливо не лише те, що магнітний потік змінюється, а й те, наскільки швидко це відбувається. Чим швидше змінюється потік, тим більша ЕРС виникає в котушці. Саме тому швидкий рух магніту викликає сильніше відхилення стрілки.
Важлива й кількість витків котушки. Якщо витків багато, ЕРС виникає в кожному з них, а їхня дія додається. Тому за однакової зміни магнітного потоку котушка з більшою кількістю витків може створити більшу загальну ЕРС.
Цю закономірність описує закон електромагнітної індукції Фарадея:
Отже, чим більше витків і чим швидше змінюється магнітний потік, тим більша ЕРС виникає в котушці.
Але у формулі є ще знак «мінус». І він тут не випадковий.
Правило Ленца
Згадаємо наш дослід. Коли ми вводили магніт у котушку, струм ішов в одному напрямку. Коли почали його витягувати — напрямок струму змінився.
Індукований струм створює власне магнітне поле, яке протидіє саме тій зміні магнітного потоку, що спричинила появу цього струму. Це називають правилом Ленца.
Коли ми наближаємо магніт до котушки, індукований струм створює поле, яке протидіє його наближенню. Коли починаємо віддаляти магніт, напрямок струму змінюється, і тепер виникле магнітне поле протидіє віддаленню.
І тут ми приходимо до дуже важливого висновку: електрична енергія не виникає з нічого.
Звідки береться електрична енергія
Щоб рухати магніт відносно котушки, ми маємо виконувати механічну роботу. Коли в замкненій котушці виникає струм, створене ним магнітне поле чинить опір цьому руху. У невеликому досліді такий опір може бути майже непомітним, але у потужних генераторах він має величезне значення.
Саме наша механічна робота зрештою перетворюється на електричну енергію. Магніт сам по собі не є джерелом енергії — він допомагає здійснити перетворення однієї форми енергії на іншу.
Саме електромагнітна індукція згодом дозволила створити електричні генератори й почати виробляти електроенергію у величезних масштабах. Але про те, як працює генератор, ми поговоримо окремо.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Світ електрики“.