Закон электромагнитной индукции

До сих пор мы изучали постоянные электрическое и магнитное поля независимо друг от друга. Глубокая связь между этими полями впервые была обнаружена в явлениях электромагнитной индукции Майклом Фарадеем.

Сразу после опыта Эрстеда (1820) Фарадейначал серию экспериментов, целью которых было получить электрический ток с помощью магнита. Он добился этого лишь через 11 лет, в 1831 году. Так было открыто явление электромагнитной индукции:

При изменении магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в этом контуре возникает электрический ток (индукционный ток ).

Демонстрации явления электромагнитной индукции

1. Магнит быстро вводим в катушку, соединенную с гальванометром (поток Ф через катушку резко возрастает) – возникает кратковременный индукционный ток. При выводе магнита возникает индукционный ток противоположного направления.

2. Катушку, соединенную с гальванометром, надеваем на постоянный электромагнит, а затем снимаем с него. Направления при этом противоположны.

Протекание индукционного тока означает, что в контуре совершается работа по перемещению зарядов, значит, в контуре возникает ЭДС индукции.

Фарадей всячески варьировал условия возбуждения индукционного тока, подтверждая всякий раз основной тезис: при любом изменении магнитного потока, охватываемого контуром, в нём возникает ЭДС индукции. Её величина не зависит от того, каким именно образом осуществляется изменение потока, и определяется лишь скоростью его изменения .

Магнитный поток . Чтобы его изменить, можно менять:

а) магнитное поле В,

б) площадь контура S,

в) угол между и нормалью к поверхности контура (например, вращая контур).

Демонстрация. Поворот большой рамки (соединенной с гальванометром) в магнитном поле Земли.

Российский физик Эмилий Христофорович Ленцв 1833 г. сформулировав правило Ленца для определения направления индукционного тока: индукционный ток всегда направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока.

Индукционный ток создает свое собственное магнитное поле , которое даёт дополнительный поток Ф _i через контур, который частично (а иногда и полностью) компенсирует изменение внешнего потока Ф. Если внешний поток Ф растет, поле индукционного тока . Если Ф уменьшается, .

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей.

Демонстрации правила Ленца.

1. В этих «весах» одно кольцо сплошное, второе – с разрезом. Когда мы вводим магнит в сплошное кольцо, оно от него «убегает», а когда выводим – кольцо «тянется» за магнитом. Если вводить магнит во второе кольцо, оно остается неподвижным.

2. Алюминиевое кольцо надето на катушку электромагнита. При замыкании цепи электромагнита кольцо подскакивает вверх. Заменяем алюминиевое кольцо медным: оно тяжелое, поэтому не подскакивает, но нагревается индукционным током (катушка включена в цепь переменного тока).

Математическое выражение для ЭДС индукции нашел Максвелл 20 лет спустя.

Закон электромагнитной индукции:

При любом изменении магнитного потока через контур в нем возникает ЭДС индукции

. (1)

Знак «минус» связан с правилом Ленца.

Чтобы правильно определить направление индукционного тока с помощью этой формулы, выбираем для данного контура направление положительной нормали , которое задаёт положительное направление обхода через правило правого винта. Знак внешнего магнитного потока Ф определяется направлением . Если формула (1) дает положительное значение Е _i, то индукционный ток будет течь в направлении положительного обхода.

Замечание. Когда контур состоит из N витков, то ЭДС индукции в нем есть сумма ЭДС, индуцируемой в каждом из витков. Если поток через один виток равен Ф₁, то полная ЭДС индукции в контуре . Величина называется полным магнитным потоком (или потокосцеплением).