Эксперимент

Явление электромагнитной индукции и закон Ленца

А.С.ПЛЕСОВСКИЙ,
женская гимназия, г. Сыктывкар, Республика Коми

Явление электромагнитной индукции и закон Ленца

Для демонстрации явления электромагнитной индукции используется прибор Петроевского, состоящий из коромысла и двух алюминиевых колец, одно из которых разомкнуто. Стеклянный подпятник коромысла устанавливается на вертикальную иглу, и вследствие малого трения в нём прибор работает даже от слабых полосовых магнитов. Недостаток этого прибора в том, что при выходе из строя стеклянного подпятника прибор практически выходит из строя.

От этого недостатка легко избавиться, если в качестве коромысла использовать пластмассовую пластинку размером (2...3) 5 (300...350) мм. Удлинённое коромысло увеличивает чувствительность прибора, а трение пластмассы об иглу достаточно мало, надо лишь заранее «обозначить посадочное место» для вертикальной иглы. Кроме того, надо сделать крепления-держатели, которые позволят перемещать кольца вдоль коромысла, рис. 1, и до начала демонстрации установить их равновесие. Но…

Рис. 1

При демонстрации традиционного опыта у учащихся возникает однозначное представление, что контур должен быть только в виде кольца, а магнитный поток через него изменяется при введении в это кольцо и выведении из него только полосового магнита.

Чтобы сформировать правильное понимание явления, можно слегка модифицировать прибор. Сменим кольца на пластинки из алюминия размерами 70 90 0,5 мм, рис. 2. Теперь можно сделать ряд демонстраций и дать задание объяснить наблюдаемые явления.

Рис. 2

Опыт № 1. Медленно приближаем магнит (лучше взять керамический кольцевой) к сплошной пластинке. Наблюдаем, как она медленно «уходит» от магнита при его приближении, и «тянется» за ним, если магнит удаляется. Пластинка с разрезами на магнит практически не реагирует.

Задание. Нарисуйте вихревые токи и объясните взаимодействие магнита и каждой пластинки. Почему нет взаимодействия с разрезанной пластинкой?

Объяснение. На доске делаем рисунок магнитного поля приближающегося к сплошной пластинке магнита и полей индукционных токов, выделяя их замкнутые контуры, рис. 3. Затем делаем аналогичный рисунок в случае удаляющегося от пластинки магнита, показываем направление индукционных токов, полярность генерируемого или магнитного поля (направлено против поля внешнего магнита) и переходим к формулировке закона Ленца.

Рис. 3

Опыт № 2. Сплошную пластинку ставим около катушки с сердечником и подключаем катушку к источнику тока – пластинка отталкивается от катушки, рис. 4.

Рис. 4

Опыт № 3. Пластинку с разрезом ставим около катушки с сердечником и подключаем катушку к источнику тока. Пластинка практически остаётся на месте.

Опыт № 4. Ставим сплошную пластинку на расстоянии 2–3 см от катушки, которая подключена к источнику тока. При выключении пластинка приближается к катушке с сердечником, рис. 5.

Рис. 5

Опыт № 5. Ставим аналогичный опыт с разрезанной пластинкой. При выключении практически не наблюдаем движение пластинки.

Опыт № 6. Начинаем перемещать магнит вверх по вертикали вблизи сплошной пластины. Коромысло с пластинками начинает колебаться в вертикальной плоскости, рис. 6.

Рис. 6

Опыт № 7. Перемещаем магнит влево-вправо по горизонтали вблизи сплошной пластинки. Коромысло с пластинками остаётся в покое, рис. 7.

Рис. 7

Опыт № 8. Заставим коромысло колебаться в вертикальной плоскости и приблизим к сплошной пластинке магнит. Вертикальные колебания быстро затухают, рис. 8.

Рис. 8

Опыт № 9. Ставим магнит вблизи колеблющегося в вертикальной плоскости коромысла около пластинки с разрезами. Колебания продолжаются гораздо дольше.

Опыт № 10. Аналогичный опыт проведём с маятником (сплошным и разрезным), внося его в сильное магнитное поле.

КОММЕНТАРИЙ РЕДАКЦИИ

Альберт Степанович Плесовский, к сожалению, не прислал объяснения наблюдаемых эффектов, которые он хотел бы получить от школьников. Если опыты 1–5 объяснить достаточно просто на базе школьной физики (вихревые токи создают магнитное поле, направленное в соответствии с законом Ленца), то в опытах 6–10 за счёт вихревых токов возникают и боковые силы: «Если мы передвигаем магнит над проводящей поверхностью, вихревые токи создают тормозящую силу, потому что индуцированные токи препятствуют изменению потока. Такие силы пропорциональны скорости и похожи на силы вязкости» («Фейнмановские лекции по физике», т. 6, с. 42. – М.: Мир, 1966). Будем признательны, если читатели пришлют более подробное объяснение.