Лекция 14. Электромагнитная индукция.
Явление электромагнитной индукции.
1. ЭДС индукции.
2. Токи Фуко.
Явление самоиндукции. Взаимная индукция.
Явление электромагнитной индукции.
1. ЭДС индукции.
Постоянные электрическое и магнитное поля могут существовать одно в отсутствие другого и независимо друг от друга. Постоянное электрическое поле может быть создано неподвижными электрическими зарядами, постоянное магнитное поле может быть создано постоянными магнитами. При этом неподвижные электрические заряды не создают магнитных полей, а неподвижные магниты не создают электрических полей. Но если электрическое или магнитное поле изменяется, картина оказывается существенно иной.
В 1831 г. Фарадеем экспериментально было обнаружено, что если замкнутый контур движется в магнитном поле, то в нем возникает ток, с другой стороны, если контур покоится, но относительно него перемещается магнит, то в таком случае, в контуре опять же возникает электрический ток. Рассмотрим несколько опытов, с помощью которых Фарадей изучал явление электромагнитной индукции (эксперимент «Магнит + катушка», «Катушка + катушка», «Электромагнит + виток с лампочкой»).
Обобщая результаты своих многочисленных опытов по электромагнитной индукции, Фарадей пришел к следующим выводам:
В замкнутом контуре индуцируется ток во всех случаях, когда происходит изменение потока магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром.
Поток вектора магнитной индукции через площадку dS определяется, как dФ=ВndS. [Ф]=[Вебер].
Величина электродвижущей силы εi пропорциональна скорости изменения потока магнитной индукции сквозь поверхность, ограниченную этим контуром:
. (1)
В 1884 г. профессор Петербургской Академии Э. Ленц установил правило определения индукционного тока, которое можно сформулировать следующим образом: индуцированный ток имеет такое направление, что его собственное магнитное поле компенсирует изменение потока магнитной индукции, вызывающее этот ток. (Демонстрация «Колечки + магнит», «Соленоид + колечки»).
Для объяснения природы ЭДС индукции Максвелл предположил, что переменное магнитное поле создает в пространстве переменное же электрическое поле и что силовые линии магнитного поля концентрически охвачены силовыми линиями электрического поля. Такое электрическое поле – с замкнутыми силовыми линиями – называется вихревым полем. Силы вихревого электрического поля производят разделение зарядов в проводящем контуре, создавая в нем переменную разность потенциалов, равную электродвижущей силе индукции.
2. Токи Фуко.
Индукционные токи возникают не только в линейных контурах, но и в массивных сплошных проводниках, пронизываемых изменяющимся магнитным полем. Такие токи называются токами Фуко по имени французского физика Фуко, впервые обнаружившего их.
Токи Фуко (токи, возникающие в массивных проводниках) являются вихревыми: они замыкаются в толще самого проводника, проходя в плоскостях, перпендикулярных потоку магнитной индукции. Так как сопротивление массивного проводника невелико, то токи Фуко могут достигать большой величины, вызывая значительное нагревание проводника. (Демонстрация « Токи Фуко (нагрев)»). Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах. Такая печь представляет собой катушку, питаемую высокочастотным током большой силы. Если поместить внутрь катушки проводящее тело, в нем возникнут интенсивные вихревые токи, которые могут разогреть тело до плавления. Таким способом осуществляется плавление металлов в вакууме, что позволяет получать материалы исключительной чистоты.
В соответствии с правилом Ленца токи Фуко выбирают внутри проводника такие пути и направления, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Этим пользуются для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов. На подвижной части прибора укрепляется проводящая (например, алюминиевая) пластинка в виде сектора, которая вводится в зазор между полюсами сильного постоянного магнита. При движении пластинка в ней возникают токи Фуко, вызывающие торможение системы. Преимущество такого устройства состоит в том, что торможение возникает лишь при движении пластика и исчезает, когда пластинка неподвижна. Поэтому электромагнитный успокоитель совершенно не препятствует точному приходу системы в положение равновесия (демонстрация « Токи Фуко (демпфирование)»).