Часть 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Раздел 9 МАГНЕТИЗМ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

9.8. Электромагнитная индукция

Если электрические и магнитные явления взаимосвязаны и вокруг проводника с током возникает магнитное поле, то возможно и обратное явление - возникновение электрического тока в замкнутом проводнике под действием магнитного поля. Именно такие рассуждения привели английского физика М. Фарадея на мысль о необходимости исследования электрической действия магнитного поля. В 1831 г. он экспериментально установил, что неизменные магнитные поля не вызывают никакой электрической действия, а переменные магнитные поля вызывают электродвижущую силу в проводниках, которые размещаются в этих полях. Каждый раз, когда магнитное поле меняется, в проводнике, помещенном в это поле, возникает электродвижущая сила (ЭДС), которую называют електрорушійною силой индукции. Если концы проводника соединены так, что образуется замкнутый круг, то в нем возникает ток, который называют индукционным. Само явление возникновения тока в замкнутом контуре под воздействием переменного магнитного поля называют явлением электромагнитной индукции.

Если взять проводник в форме катушки, к концам которой подключен гальванометр (рис. 9.13), и перемещать вдоль ее оси магнит, то в таком круге возникает индукционный ток, который обнаруживается по отклонению стрелки гальванометра. Эффект сохраняется, если перемещать катушку относительно неподвижного магнита. Можно заменить магнитное поле магнита магнитным полем другой катушки А (рис. 9.14). Каждый раз, когда включаем и выключаем ток в катушке А, в катушке, размещенной вблизи, возникает ЭДС индукции, которая вызовет ток в ней. Ток можно обнаружить по отклонению стрелки гальванометра, который включили в круг катушки В. Электродвижущая сила индукции возникнет в круге катушки В и тогда, когда в катушке А будет проходить переменный ток. Перед тем как анализировать добытые экспериментальные данные, введем понятие про магнитный поток. Потоком вектора магнитной индукции, или магнитным потоком, dФ через элементарную поверхность ds называют скалярную величину, что равна произведению проекции В_n вектора индукции на нормаль n к элементу поверхности на площадь этого элемента, то есть

где α - угол между направлениями нормали и вектора магнитной индукции .

Рис. 9.13 Рис 9.14

Полный поток через поверхность s найдем из соотношения

В случае однородного магнитного поля и плоской поверхности s, перпендикулярной к , поток магнитной индукции

Единицей потока магнитной индукции в СИ является вебер (Вб). Вебер равен потоку через 1 м² поверхности, которая расположена перпендикулярно к линии магнитной индукции в однородном магнитном поле с индукцией в 1 Тл.

Умовимось линии магнитной индукции проводить так, чтобы количество линий, пронизывающих единичную площадку, размещенную перпендикулярно , численно равна вектору магнитной индукции B в данной точке поля. Тогда магнитный поток через произвольную плоскость равна числу линий магнитной индукции, что ее пронизывают.

Возвращаясь к анализу опытов М. Фарадея, нетрудно заметить: характерной особенностью является то, что в каждом из них происходит изменение магнитного потока через контур, в котором наблюдается возникновение индукционного тока. Согласно закону Ома электрический ток в замкнутом круге может возникнуть лишь тогда, когда в нем возникает электродвижущая сила. Следовательно, необходимым условием возникновения ЭДС индукции является изменение магнитного потока, который проходит через контур (в этом случае катушка из проволоки).

Направление ЭДС индукции и индукционного тока всегда связан с характером изменения магнитного поля. Если при увеличении магнитного потока, проходящего через контур (катушку), возникает ток одного направления, то при уменьшении магнитного потока направление ЭДС индукции и индукционного тока изменится на противоположный. Е. X. Ленц установил такое правило для определения направления индукционного тока: направление индукционного тока всегда такой, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, который вызывает этот ток. Это означает, что при введении в замкнутую на гальванометр катушку северного полюса штабового магнита ток, который возникает в ней, будет иметь такой направление, в верхней части катушки возникнет северный полюс, который препятствовать приближению магнита. Наоборот, при удалении магнита от катушки направление индукционного тока будет такой, что в верхней части катушки возникнет южный полюс, который будет препятствовать удалению магнита.

Для определения направления индукционного тока в том случае, когда проводник движется в магнитном поле, используют правило, известное под названием правила правой руки: если разместить правую руку так, чтобы ладонь впадали силовые линии магнитного поля, а направление отогнутого большого пальца совпадал с направлением движения проводника, то остальные вытянутых пальцев укажет направление индукционного тока.

Ток в проводнике, т.е. обращен движение электрических зарядов, является признаком наличия в нем электрического поля. Не надо думать, что проводник играет какую-то роль в возникновении индуцированного электрического поля. И проводник, и гальванометр предназначены только для обнаружения электрического поля. Если вместо проводника взять контур с диэлектрика, то индуцированное электрическое поле вызывает поляризацию этого диэлектрика. Электрическое поле індукуватиметься переменным магнитным полем независимо от наличия проводника электрического поля (контура). Например, при раздвижке друг от друга магнитных полюсов в пространстве между ними индуцируется электрическое поле. Однако электрические поля, индуцированные изменениями магнитного поля, имеют некулонівський характер. Силовые линии таких полей замкнуты, они концентрически охватывают переменный магнитный поток. Индуцированное электрическое поле можно обнаружить действием его на электрические заряды, находящиеся поблизости. Поле электрических, но в общем случае уже некулонівських сил, вызванное переменным магнитным полем, называют электромагнитным. В электромагнитном поле электрические силовые линии и связанные с ними магнитные линии могут стать настолько независимыми от зарядов, способные перемещаться в пространстве. Электромагнитное поле - это разновидность материи, диалектически сочетает свойства электрических и магнитных полей. Однако его характеризуют более сложные спрятаны движения, проявляющиеся в возникновении сил, значение и направление которых определяется скоростью изменения магнитного потока.

Существование электромагнитного поля впервые 1831 г. обнаружил опытами М. Фарадей. Впоследствии М. Фарадей и Е. X. Ленц открыли законы электромагнитной индукции. Нельзя переоценить значение открытие явления электромагнитной индукции и теперь. Все современные мощные генераторы электроэнергии основаны на этом явлении.