§ 9. Электромагнитная индукция

9.1 Открытие Фарадеем явления электромагнитной индукции («опыты Фарадея»)

«Экономический эффект ...» М. Тэтчер

Мы знаем, что электрические токи создают в окружающем пространстве магнитное поле. А может ли магнитное поле вызвать («индуцировать») появление тока в проводнике?

«... представляется весьма необычным, что всякий электрический ток сопровождается магнитным действием и в то же время в хороших проводниках, находящихся в сфере этого действия, не индуцируется ток или какие-либо иные сходные процессы» – писал Фарадей в своих дневниках. Он чувствовал отсутствие симметрии: поскольку электричество порождает магнетизм, он надеется, что и магнетизм должен вызывать электричество.

В статье М. Фарадея 1831 г. приводится описание более десятка экспериментов, вскрывающие все существенные особенности явления электромагнитной индукции (ЭМИ). Фарадей установил, при каких условиях возможно появление тока благодаря магнитному воздействию. В чём суть этих опытов?

В качестве источника магнитного поля Фарадей использовал постоянный магнит, а также катушку, включённую в электрический контур («1») с источником тока (электромагнит). Для регистрации индукционных токов применялась другая катушка, входящая в другой, «регистрирующий» контур («2») с чувствительным к протеканию заряда электроприбором – гальванометром. В этом приборе используется как раз способность магнитного поля токов поворачивать намагниченную стрелку – см. рис. 9.1. Перечислим основные наблюдаемые факты.

1. Если «регистрирующая» катушка («2») находилась в поле неподвижного электромагнита (катушка «1») даже с очень большим постоянным током (то же и в случае неподвижного постоянного магнита), то гальванометр не фиксировал протекание тока. Вывод – постоянное магнитное поле любой величины не вызывает появление электрического тока в неподвижном проводнике.

2. При пространственных перемещениях «регистрирующей» катушки или магнитов гальванометр показывал появление тока – «индукционный» ток в контуре «2». Какой именно контур «1» или «2» (или магнит) находится в движении значения не имело – роль играет лишь их относительное смещение.

3. То же происходило и при включении-выключении, а также и изменении силы тока в первом контуре.

4. Фарадеем был обнаружен и ряд более тонких эффектов, например, появление индукционного тока во втором («регистрирующем») контуре в процессе деформации второй катушки или при внесении в неё железных сердечников.

Фарадей проанализировал все проявления электромагнитной индукции и пришёл к выводу – изменения в структуре магнитного поля приводят заряженные частицы в упорядоченное движение. А именно, электрический ток индуцируется^*) («наводится») при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым проводником (контуром).

Итак (по Фарадею), явление электромагнитной индукции (ЭМИ) состоит в возникновении электрического тока в проводящем контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром^*).

Дополнительные эксперименты позволили количественно связать силу индукционного тока с изменением магнитного потока. Оказалось, что величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_В:

. (9.1)

А что мы собственно называем магнитным потоком? Более строгий термин, конечно же – «поток вектора магнитной индукции». Как и для любого векторного поля его следует записать так:

(или так: ) (9.2)

Напомним, что этот поверхностный интеграл – это не что иное как просто сумма (точнее предел последовательности сумм) большого числа «элементарных потоков» – произведений нормальных компонент вектора на площадь соответствующего малого элемента (B_ndS), на которые предварительно разбивают поверхность , через которую и определяют «поток».

9.2 «Правило» Ленца (1834 г.)

А как направлен индукционный ток? Проанализировав различные проявления ЭМИ, Э.Х. Ленцу^*) удалось через несколько лет после опытов Фарадея установить закономерность и в этом вопросе.

• Индукционный ток всегда направлен так, что возникающее магнитное поле уменьшает изменение магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Или более кратко:

И ндукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине его вызывающей.

Увы, что «длинные», что краткие «версии» этой закономерности зачастую не гарантируют от путаницы. Чтобы разобраться в вопросе, надо потренироваться на несложных примерах. Проиллюстрируем это на примере с плоским кольцевым контуром.

Пример

Выберем произвольно (т.е. просто договоримся) «положительное» направление обхода кольцевого контура – против часовой стрелки, если «смотреть сверху» (см. рис. 9.2). Используем правило правого винта для нахождения «положительного» направления нормали к поверхности , ограниченной этим контуром. Это позволит определить знак магнитного потока в исходном состоянии системы: Ф₀ > 0. Пусть индукция поля увеличивается ( ), тогда и следовательно, по закону Ленца, должен появится индукционный ток, протекающий так, чтобы его собственное магнитное поле было направлено навстречу «внешнему» нарастающему полю . Тогда он и будет «препятствовать увеличению магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром». Этот ток будет течь в «отрицательном» направлении, т.е. по часовой стрелке в нашем примере – см. рис. 9.2.

Напротив, если индукция поля будет убывать (или магнитный поток будет уменьшаться по любой другой причине) – , результат изменится на противоположный: появится индукционный ток в положительном направлении, т.е. против часовой стрелки.