8.2 Явление электромагнитной индукции

С момента открытия связи магнитного поля с электрическим током делались попытки возбудить ток в контуре с помощью магнитного поля. Это удалось Фарадею, открывшему в 1831 году явление электромагнитной индукции. Суть явления в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, в контуре возникает электрический ток, называемый индукционным. Возникновение индукционного тока свидетельствует о том, что при изменении магнитного потока в контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции .

По закону Фарадея ЭДС индукции магнитного поля прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока и не зависит от способа изменения потока:

.

Знак ”–“ объясняется правилом Ленца: индукционный ток имеет такое направление, чтобы созданное им магнитное поле препятствовало вызвавшему его изменению магнитного потока.

Рисунок 8.1

Применим это правило к случаю, изображенному на рисунке 8.1 относительному движению витка и магнита. Изменяющийся магнитный поток индуцирует ЭДС, которая возбуждает в витке ток, а этот ток создает собственное магнитное поле. На рисунке 8.1а изображен случай, когда расстояние между витком и магнитом уменьшается; следовательно, индукция магнитного поля, а стало быть, и магнитный поток через виток увеличиваются. Силовые линии магнита направлены вверх. Чтобы противодействовать увеличению такого поля, поле индукционного тока должно быть направлено вниз. Таким образом, согласно правилу Ленца, направление тока должно быть таким, как показано на рисунке (воспользуйтесь правилом правой руки). На рисунке 8.1б поток уменьшается и поэтому индукционный ток создает поле, направленное вверх, «пытаясь» противодействовать этому изменению. Направление индукционного тока должно быть таким, как показано на рисунке.

Из формул для магнитного потока (8.1 и 8.2) видно, что магнитный поток можно изменять тремя способами:

1. изменяя, индукцию магнитного поля во времени;

2. изменяя площадь контура, который охватывает проводник с током;

3. изменяя угол  между направлением силовых линий и нормалью, проведенной к площадке охваченной контуром, т.е., вращая контур в магнитном поле.

Проверь себя

1. Дайте определение магнитного потока.

2. Запишите формулу магнитного потока для однородного магнитного поля.

3. Запишите формулу магнитного потока для неоднородного магнитного поля.

4. Сформулируйте определение индукционного тока.

5. Запишите формулу для ЭДС индукции магнитного потока.

6. Как объясняется знак “-” в формуле для ЭДС индукции магнитного потока?

7. Сформулируйте правило Ленца.

8. Приведите способы, какими можно изменять магнитный поток.

9.Электромагнитные волны

9.1 Взаимные превращения электрических и магнитных полей

Остановимся на природе ЭДС в случае изменения магнитного потока за счет изменения вектора индукции магнитного поля (1-й способ). Из сказанного в разделе 6.1, мы знаем, электродвижущая сила в любой цепи возникает только в том случае, если в этой цепи на заряды действуют какие-либо сторонние силы, т.е. силы не электростатического происхождения. Откуда следует, что чтобы возникла ЭДС, необходимо существование поля сторонних сил с напряженностью . Исходя из закона Ома в дифференциальной форме, плотность тока, возникающего в контуре, должна совпадать по направлению с напряженностью поля, т.к. контур, по которому течет индукционный ток замкнутый, то силовые линии этого поля должны быть тоже замкнутыми. Значит, это поле будет отличаться от электростатического поля. Силовые линии электростатического поля всегда разомкнуты; они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах (см. раздел 5.3), и в соответствии с этим напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле всегда равно нулю. По этой причине электростатическое поле не может поддерживать замкнутое движение зарядов и, следовательно, не может привести к возникновению электродвижущей силы. Возникшее поле, имеющее замкнутые силовые линии, получило название вихревого электрического поля. Источником вихревого электрического поля является переменное магнитное поле.

Таким образом, углубленное истолкование явления электромагнитной индукции приводит к следующему выводу, выражающему первое основное положение Максвелла: всякое изменение магнитного поля вызывает появление вихревого электрического поля.

Анализируя различные электромагнитные процессы, Максвелл пришел к заключению, что должно существовать и обратное явление:

всякое изменение электрического поля вызывает появление вихревого магнитного поля. Это утверждение является вторым основным положением теории Максвелла.

Поскольку магнитное поле есть обязательный признак всякого тока (см. раздел 7.1), то Максвелл назвал переменное электрическое поле током смещения, в отличие от тока проводимости, обусловленного движением заряженных частиц. Ток смещения должен измеряться в тех же единицах, что и ток проводимости, поэтому количественно ток смещения можно оценить следующим образом:

,

где поток вектора напряженности электрического поля. Таким образом, для получения магнитного поля не нужно иметь проводники с током. Магнитные и электрические поля могут существовать в пространстве в свободном состоянии, превращаясь одно в другое, причем эти поля взаимосвязаны. Совокупность взаимосвязанных электрического и магнитного полей называется электромагнитным полем.