10.1. Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции

После десяти лет упорной работы Фарадею удалось показать, что не только электрический ток создает в окружающем пространстве магнитное поле, но и магнитное поле способно порождать в замкнутом проводящем контуре электрический ток, получивший название индукционного тока.

В опытах Фарадей магнитный поток, пронизывающий первый контур (катушку 1), изменялся различными способами (рис. 10.1):

1) замыкалась и размыкалась цепь второго контура;

2) с помощью реостата изменялась сила тока второго контура;

3) второй контур приближался или удалялся относительно первого контура;

4) постоянный магнит приближался или удалялся относительно первого контура;

5) движение совершал первый контур относительно магнита и контура 2, по которому протекал постоянный ток, и т. д.

Рис. 10.1

В результате в контуре возникала ЭДС индукции ε_i и индукционный ток I_i , который фиксировался амперметром. Причем индукционный ток изменял свое направление при смене направления движения магнита, при изменении направления тока в контуре 2, при замене замыкания цепи второго контура ее размыканием.

В итоге Фарадей показал, что сила индукционного тока и ЭДС индукции зависят от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, и не зависит от способа изменения магнитного потока Ф.

На основании опытов Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции, который гласит: при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, в нем возникает ЭДС индукции ε_i , равная скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком:

_{. (10.1)}

_{Наличие ЭДС индукции} ε_i в проводящем контуре сопротивлением R приводит к возникновению в нем индукционного тока, который можно рассчитать по закону Ома для полной цепи:

_{. (10.2)}

_{Направление же индукционного тока можно найти по правилу Ленца, которое гласит: индукционный ток в контуре возникает такого направления, чтобы создаваемое им магнитное поле препятствовало любым изменениям магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.}

_{Рассмотрим пример определения направления индукционного тока по правилу Ленца (рис. 10.2). Пусть проводящий контур находится во внешнем магнитном поле , которое возрастает со временем (dB/dt > 0). Тогда магнитный поток Ф, пронизывающий контур, увеличивается ( ∆Ф > 0), то есть возрастает число линий , пронизывающих п оверхность контура. Согласно правилу Ленца, индукционный ток препятствует нарастанию магнитного потока, поэтому он создает свое магнитное поле , линии которого направлены против линий внешнего магнитного поля. Зная н}

Рис. 10.2

аправление линий _{, определяют по правилу правого буравчика направление индукционного тока.}

_{Максвелл показал, что при всяком изменении магнитного поля в пространстве возникает вихревое электрическое поле (существует два вида электрических полей – электростатическое и вихревое). Изменяющееся магнитное поле и порождает сторонние силы способные привести в движение свободные носители электрических зарядов в проводнике. Сторонние силы совершают работу по разделению разноименных зарядов:}

_(10.3)

_{. (10.4)}

_{Для установления взаимосвязи между электрическим и магнитным полями проводник не нужен; он является прибором, который обнаруживает наличие в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Выберем в качестве контура Г воображаемую замкнутую линию. Тогда, учитывая (10.1), можно записать:}

_{, (10.5)}

_{где - суммарная напряженность вихревого и электростатического полей.}

_{Уравнение (10.5) представляет собой первое уравнение Максвелла в интегральной форме. Его физический смысл состоит в следующем: источником вихревого электрического поля является переменное магнитное поле (в правой части находится источник того, что записано в левой части уравнения).}