Основной закон электромагнитной индукции

Величайший физик XIX века Майкл Фарадей считал, что между электрическими и магнитными явлениями существует тесная взаимосвязь.

Опыты Фарадея были чрезвычайно просты. Он присоединял гальванометр G к концам катушки L и приближал к ней магнит (рис.3.2). Стрелка гальванометра отклонялась, фиксируя появление тока в цепи. Ток протекал, пока магнит двигался. При отдалении магнита от катушки гальванометр отмечал появление тока противоположного направления. Аналогичный результат отмечался, если магнит заменяли катушкой с током или замкнутым контуром с током. Движущиеся магнит или проводник с током создают через катушку L переменное магнитное поле. В случае их неподвижности создаваемое ими поле постоянно. Если вблизи замкнутого контура поместить проводник с переменным током, то в замкнутом контуре также возникнет ток. На основе анализа опытных данных Фарадей установил, что ток в проводящих контурах появляется при изменении магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром. Этот ток был назван индукционным. Открытие Фарадея было названо явлением электромагнитной индукциии легло в дальнейшем в основу работы электрических двигателей, генераторов, трансформаторов и подобных им приборов.

Итак, если магнитный поток через поверхность, ограниченную некоторым контуром, изменяется, то в контуре возникает электрический ток. Известно, что электрический ток в проводнике может возникнуть только под действием сторонних сил, т.е. при наличии э.д.с.. В случае индукционного тока э.д.с., соответствующая сторонним силам, называется электродвижущей силой электромагнитной индукции ε_i.

Дальнейшие исследования индукционного тока в проводящих контурах различной формы и размеров показали справедливость следующего закона Фарадея: Э.д.с. электромагнитной индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_m сквозь поверхность, ограниченную этим контуром:

где к – коэффициент пропорциональности. Данная э.д.с. не зависит от того, чем вызвано изменение магнитного потока – либо перемещением контура в постоянном магнитном поле, либо изменением самого поля.

Рассмотрим пример, демонстрирующий данный закон (рис. 3.3). В контуре 1 создается ток силы I₁, его можно изменять с помощью реостата R.

 

Рисунок 3.3 - Демонстрация закона Фарадея и правила Ленца

I1

2 1

I2’

I2’’

R

G

Этот ток создает магнитное поле, пронизывающее контур 2. Если мы будем увеличивать ток I₁, поток Ф_m магнитной индукции через контур 2 будет, изменяясь, расти. Это приведет к появлению в контуре 2 индукционного тока I₂^’, регистрируемого гальванометром G и направленного противоположно I₁. Если, наоборот, уменьшать I₁, то и поток через контур 2 будет уменьшаться, что приведет к появлению в нем индукционного тока I₂^’’, направленного так же, как I₁.

Как определить направление индукционного тока? Профессор Петербургского университета Э.Х. Ленц в 1833 г. установил, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей. Это – существенный физический факт, демонстрирующий стремление системы сопротивляться изменению состояния.

Вернемся к рис. 3.3. При увеличении тока I₁, т.е. возрастании потока магнитной индукции Ф_m, направленного вправо, когда dФ_m/dt >0, в контуре 2 возникает индукционный ток I₂^’, создающий собственный магнитный поток, направленный влево (данный поток стремится уменьшить Ф_m). Току I₂^’ соответствует ε_i< 0. Мы можем определить направление тока I₂^’ по правилу правого винта. Если ток в контуре 1 уменьшать, то dФ_m/dt < 0, и аналогично в контуре 2 возникает ε_i> 0 и ток I₂^”, собственный магнитный поток которого направлен так же, как и внешний поток Ф_m, потому что он стремится поддержать внешний поток постоянным, добавляя его.

Итак, направление индукционного тока определяется правилом Ленца: При всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную замкнутым проводящим контуром, в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.

Обобщением закона Фарадея и правила Ленца является закон Фарадея - Ленца: Электродвижущая сила электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную контуром:

Это выражение представляет собой основной закон электромагнитной индукции.

При скорости изменения магнитного потока 1Вб/с в контуре индуцируется э.д.с. в 1 В.

Пусть контур, в котором индуцируется э.д.с., состоит не из одного, а из N витков, например, представляет собой соленоид. Соленоид – это цилиндрическая катушка с током, состоящая из большого числа витков. Так как витки в соленоиде соединяются последовательно, ε_i в данном случае будет равна сумме э.д.с., индуцируемых в каждом из витков по отдельности:

Величину Ψ = ΣΦ_m называют потокосцеплением или полным магнитным потоком. Если поток, пронизывающий каждый из витков, одинаков (т.е. Ψ = NΦ_m), то в этом случае

Немецкий физик Г. Гельмгольц доказал, что закон Фарадея-Ленца является следствием закона сохранения энергии. Пусть замкнутый проводящий контур находится в неоднородном магнитном поле. Если в контуре течет ток I, то под действием сил Ампера незакрепленный контур придет в движение. Элементарная работа dA, совершаемая при перемещении контура за время dt, будет составлять

dA = IdФ_m,

где dФ_m – изменение магнитного потока сквозь площадь контура за время dt. Работа тока за время dt по преодолению электрического сопротивления R цепи равна I²Rdt. Полная работа источника тока за это время равна εIdt. По закону сохранения энергии работа источника тока затрачивается на две названные работы, т.е.

εIdt = IdФ_m + I²Rdt.

Разделив обе части равенства на Idt, получим

Следовательно, при изменении магнитного потока, сцепленного с контуром, в последнем возникает электродвижущая сила индукции