Природа ЭДС индукции

Разберёмся в тех физических причинах, которые приводят к возникновению ЭДС индукции (как это сделал Максвелл).

Возникновение ЭДС индукции вызывается двумя различными причинами:

– перемещением контура или его частей в неизменном магнитном поле,

– изменением во времени самого магнитного поля, а контур при этом остается неподвижным.

Как мы увидим, физическая природа ЭДС индукции в этих случаях совершенно разная.

1. Перемещение контура в постоянном магнитном поле.

Проанализируем самый простой случай. Контур имеет одну подвижную перемычку длины l, которую перемещают со скоростью v. Магнитное поле В направлено перпендикулярно поверхности контура.

Выберем положительную нормаль по направлению . Соответствующее положительное направление обхода указано на рисунке.

Пусть сначала контур разомкнут.

На каждый электрон в движущейся перемычке действует сила Лоренца , которая приводит к перемещению электронов вдоль перемычки. Это приводит к накоплению на одном ее конце отрицательного заряда, а на другом – положительного; в перемычке возникает электрическое поле . Движение электронов вдоль перемычки прекратится, когда электрическая сила уравновесит магнитную: , или . Между концами перемычки возникает напряжение .

При замыкании контура в нём возникает индукционный ток, направление которого указано красной стрелкой. Сила Лоренца заставляет электроны в проводнике перемещаться против электрического поля , т.е. она играет роль сторонней силы, и вся перемычка работает как источник тока с ЭДС (она отрицательна, т.к. направление тока противоположно направлению положительного обхода).

Заметим, что изменение потока через контур связано с заметаемой площадью: . ЭДС индукции .

Итак, возбуждение ЭДС индукции при движении контура или его частей в магнитном поле объясняется действием силы Лоренца на электроны в движущихся частях контура.

2. Контур покоится в изменяющемся магнитном поле.

Поскольку в этом случае скорость упорядоченного движения электрических зарядов равна нулю, магнитная сила также равна нулю и уже не может привести заряды в движение. Кроме магнитной силы на электрический заряд может действовать только сила электрическая, поэтому остается заключить, что изменяющееся во времени магнитное поля порождает электрическое поле . Именно оно ответственно за появление ЭДС индукции в неподвижном контуре. Его циркуляция (т.е. работа по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру) отлична от нуля – это и есть ЭДС индукции:

.

В дифференциальной форме: .

Возникающее электрическое поле имеет вихревой характер: его линии напряженности замкнуты и связаны с направлением правилом левого винта.

Возникновение вихревого электрического поля не связано с наличием проводящего контура, который лишь позволяет обнаружить существование этого поля по появлению индукционного тока. Вихревое электрическое поле можно обнаружить и по другим его действиям, например, по поляризации диэлектрика, пробою конденсатора, ускорению и торможению заряженных частиц и т.п.

Итак, попытка разобраться в причинах возникновения ЭДС индукции привела к открытию нового фундаментального физического закона: изменяющееся во времени магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.