Закон електромагнітної індукції Фарадея

Якщо струм у провіднику створює магнітне поле, то логічний було б припустити, що можливий і зворотний процес, тобто із допомогою магнітного поля створити електричний струм. Шлях отримання електричного струму за допомогою магнітного поля відкрили два вчених, ще у ХІХ столітті. Це були Майкл Фарадей та Джозеф Генрі. Перш ніж розглянути це відкриття ми встановимо поняття потоку магнітного поля.

Потік магнітного поля Ф – це кількість ліній магнітного поля, що проходять перпендикулярно до поверхні. На рисунку 28 показано напрям вектора магнітної індукції, що проходить через певну поверхню. Магнітний потік рівний: Ф=В· S·соsα. Вимірюють магнітний потік у теслах (Тл.). Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, згідно якого змінне у часі магнітне поле, що проходить через провідник, індукує в ньому електрорушійну силу:

(42)

Якщо для дослідів використати котушку із намотаним дротом, то електрорушійна сила буде рівна:

(43), де N – це кількість витків дроту у котушці.

Знак “ – “ у формулах (42) – (43) дуже важливий. Пояснити його можна за допомогою закону Ленца, у якому сказано, що індукований у колі струм має такий напрям, що його власне магнітне поле протидіє впливу зовнішнього магнітного поля, що створило даний струм. Оскільки змінне магнітне поле індукує ЕРС, то явище електромагнітної індукції можна використати для створення генератора змінного струму. Для цього рамку із дроту поміщають у магнітне поле та обертають її із частотою f. Під час обертання рамки потік магнітного поля Ф через площу рамки постійно змінюється і у рамці буде індукуватись змінна ЕРС, що рівна:

(44),

де ω - це кутова швидкість обертання рамки із дротом. Вираз (44) можна переписати у вигляді: (45), якщо припустити, що добуток ωSB рівний максимальному (амплітудному) значення ЕРС. Якщо виводи рамки приєднати до резистора із опором R, то струм у колі за законом Ома буде рівний:

(46), де амплітудне значення струму: (47). За таких умов змінний струм можна обчислити за допомогою формули: (48).

У практичних цілях, для одержання більших значеннь електрорушійної сили на рамку намотують велику кількість витків дроту (N витків) і тоді результуюча ЕРС зросте у N разів: (49).

Якщо є два коаксіальні соленоїди і по обмотці одного із них протікає змінний струм, то у обмотці другого соленоїда буде індукуватись змінна ЕРС, це явище одержало назву взаємної індукції. ЕРС у другій обмотці можна визначити за формулою: (50), де М – це певна стала, що залежить лише від геометрії соленоїда, чи іншої котушки: (51). Змінне магнітне поле індукує ЕРС не лише у інших обмотках, але й і у своїй власній обмотці, цей процес одержав назву самоіндукції.

Енергія магнітного поля рівна: (52), де L - це індуктивність котушки із струмом.