6.2. Природа электромагнитной индукции
Выясним физические причины, которые приводят к возникновению э.д.с. индукции. Рассмотрим два случая.
Контур движется в постоянном магнитном поле (магнитный поток изменяется за счет движения контура).
Контур покоится в магнитном поле, магнитное поле изменяется во времени (магнитный поток изменяется за счет изменения поля).
1.Возьмем
металлический контур с подвижной
перемычкой длиной
(рис.
6.1). Пусть контур находится в однородном
магнитном поле, вектор магнитной индукции
перпендикулярен плоскости контура и
направлен за плоскость чертежа.
Начнем
двигать перемычку со скоростью
.
С такой же скоростью будут перемещаться
относительно поля и носители заряда –
электроны. На электроны будет действовать
сила Лоренца (рис. 6.2)
.
(6.4)
Под действием силы Лоренца электроны будут перемещаться по перемычке вниз (рис.6.2). Перераспределившиеся заряды создадут электрическое поле, в контуре возникнет ток. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы, разделяющей электрические заряды.
Напряженность поля сторонних сил будет равна
.
(6.5)
Вектор
направлен противоположно силе Лоренца,
его модуль равен
.
Э.д.с., действующая в контуре, (по определению) равна циркуляции вектора напряженности поля сторонних сил:
.
(6.6)
Для
нахождения циркуляции вектора
выберем направление обхода контура
так, чтобы нормаль к контуру была
параллельна вектору
(
).
Так как сторонние силы действуют только
на участке BC,
то
.
(6.7)
Здесь
- длина перемычки. Произведение скорости
движения перемычки на ее длину равно
увеличению площади контура в единицу
времени:
.
(6.8)
и 
.
(6.9)
Нетрудно убедиться, что подстановка выражения (6.9) в формулу (6.7) приводит к закону электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла (6.1).
Таким образом, физической причиной, приводящей к возникновению э.д.с. индукции при движении контура в постоянном магнитном поле, является действие на заряды силы Лоренца.
2.Пусть контур покоится в магнитном поле, магнитное поле изменяется во времени. Какова природа сторонних сил в этом случае?
Это не может быть сила Лоренца, так как на неподвижные заряды сила Лоренца не действует.
Согласно Максвеллу, изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Вихревое электрическое поле возникает в пространстве независимо от наличия проводящего контура. Если проводящий контур имеется, то под действием электрического поля носители заряда приходят в движение: возникает индукционный ток. Э.д.с. индукции в этом случае
,
(6.10)
где
- напряженность индуцированного вихревого
электрического поля.
6.3. Токи Фуко
Вихревые токи или токи Фуко – индукционные токи, возникающие в толще массивных проводников при изменении в них магнитного потока (замкнутая цепь индукционного тока образуется внутри проводника). Индукционный ток определится формулой: