Природа явления электромагнитной индукции

Мы выяснили, чему равна э.д.с. индукции, как направлен индукционный ток. Необходимо ответить на вопрос, а почему возникает э.д.с. индукции. Какие силы заставляют электроны в проводниках двигаться?

Рассмотрим для примера известное Вам устройство – трансформатор. У него в первичной обмотке течёт переменный ток, который создаёт магнитное поле. Магнитное поле может действовать только на движущиеся заряды. При включении трансформатора во вторичной обмотке сразу же появляется ток, т.е. электроны во вторичной обмотке сразу начинают упорядоченно двигаться. Но до включения они покоились, и на них магнитное поле первой обмотки действовать не могло. Мы точно знаем, что во вторичной обмотке нет ни химических, ни других видов источников энергии. А т.к. заряды начали двигаться, следовательно, на них подействовала сила, имеющая электрическую природу. Т.е. при включении трансформатора во вторичной обмотке появилось электрическое поле ( – вихревое электрическое поле).

Необходимо только понять, что – вихревое электрическое поле могло создать только переменное магнитное поле. Если в первичной обмотке трансформатора будет течь постоянный ток, то магнитное поле будет, а электрическое поле во вторичной обмотке не возникнет. Трансформатор на постоянном токе не работает.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не в появлении индукционного тока, (ток появляется тогда, когда есть заряды и замкнутая цепь), а в возникновении вихревого электрического поля. Причём не только в проводнике, но и в окружающем пространстве.

Вихревое электрическое поле имеет совершенно другую структуру, чем поле созданное зарядами. Так как это поле не создаётся зарядами, то его силовые линии не могут начинаться и заканчиваться на зарядах.

У вихревого электрического поля силовые линии замкнуты.

Раз это поле перемещает заряды, следовательно, оно обладает силой. Введём вектор напряжённости вихревого электрического поля . Сила, с которой это поле действует на заряд . Но когда заряд движется в магнитном поле (тоже переменном) на него действует сила Лоренца . Эти силы должны быть равны между собой. Заряд стал двигаться под действием , а это поле возникло из-за наличия переменного магнитного поля . Чем больше , тем больше . И сила Лоренца F_Л, и вихревое электрическое поле являются порождением одного и того же поля .



Здесь – скорость движения заряда относительно магнитного поля . Поэтому можно записать , где – скорость движения магнитного поля относительно заряда.

Сравните: , если S = const, то .

Рассмотрим одно из свойств вихревого электрического поля.

В отличие от электростатического поля – электрическое поле индукции не имеет источников. Линии напряжённости этого поля замкнуты подобно линиям магнитного поля. Работа, совершённая при обходе всего контура, всегда отлична от нуля, а не равна нулю, т.к. поле вихревое.

Интеграл представляет собой работу, совершаемую индукционным электрическим полем при переносе единичного заряда вдоль замкнутого контура, т.е. интеграл равен э.д.с. индукции, возникающей в этом контуре. Так как , то можно записать:

Это выражение имеет смысл всегда, независимо от того, выполнен контур в виде линейного проводника, диэлектрика или речь идёт о мысленно выделенном контуре в вакууме.

Если контур сделан из диэлектрика, то каждый элемент этого контура поляризуется в соответствии с действующим в нём электрическим полем.

Если заряд движется в вакууме по контуру, то при каждом обходе контура его механическая энергия возрастает на величину , равную.

На использовании действия электрического поля индукции ( ) в вакууме основан оригинальный ускоритель электронов – бетатрон.