8. Електромагнітна індукція

Уявімо два паралельні провідники аб і вг (рис. 23, а), розміщені на невеликій відстані один від одного. Провідник аб приєднано до затискачів батареї Б; коло вмикається ключем К, з замиканням якого через провідник протікає струм у напрямку від а до б. До кінців про­відника вг приєднано чутливий амперметр А, за відхиленням стрілки якого роблять висновок про наявність струму в цьому провіднику.

Я кщо у складеній таким чином схемі замкнути ключ К, то в мо­мент замикання кола стрілка амперметра відхилиться. Це буде свід­ченням наявності струму в провіднику вг. Через невеликий проміжок часу (долі секунди) стрілка амперметра займе вихідне (нульове) положення. Розімкнення ключа К знову обумовить короткочасове відхи­лення стрілки ампер-метра, але вже в інший бік, і це буде свідченням виник-нення струму проти-лежного напрямку. Аналогічне відхиле-ння стрілки ампер-метра можна спосте-рігати і в тому ви-падку, коли при ввімкненому ключі К наблизимо провідник аб до провідника вг або віддалимо від нього. Наближення провідника аб до вг обумовить від­хилення стрілки амперметра в той самий бік, що й під час ввімкнення ключа К; віддалення провідника аб від провідника вг спричинить від­хилення стрілки амперметра, аналогічне відхиленню під час вимкнен­ня ключа К.

При нерухомих провідниках і замкнутому ключі К струм у про­віднику вг можна викликати зміною сили струму у провіднику аб. Аналогічні явища відбуваються і в тому випадку, якщо провідник, який живиться струмом, замінити магнітом або електромагнітом. Так, на рис. 23, б схематично зображено котушку (соленоїд) з ізольованого дроту, до кінців якої приєднано амперметр А. Якщо всередину обмот­ки швидко ввести постійний магніт (або електромагніт), то в момент його введення стрілка амперметра А відхилиться. При виведенні маг­ніту також спостеріга-тиметься відхилення стрілки амперметра, але в інший бік. Електричні струми, що виникають за подібних обставин, називаються індукційними, а причина, що обумовлює появу індукційних струмів,— електрорушійною силою ін­дукції. Ця ЕРС виникає у провідниках під дією змінних магнітних полів, у яких перебувають ці провідники.

Н апрямок ЕРС індукції у провіднику, що переміщується в магніт­ному полі, можна визначити за правилом правої руки (рис. 24), яке формулюється так: якщо праву руку поставити долонею до північного полюса так, щоб відігнутий великий палець пока-зував напрямок руху провідника, то чо-тири інші пальці показуватимуть на-прямок ЕРС індук-ції.

Напрямок ЕРС індукції в нерухомому замкненому провіднику, контур якого пронизується змінним магнітним потоком, можна вивначити, застосувавши правило Максвелла, яке формулюється так: якщо замкнений контур провідника пронизується магнітним пото­ком, що зменшується, то ЕРС індукції спрямована в той бік, у який доводиться обертати ручку свердлика, що загвинчується поступально ва напрямком магнітних ліній. Якщо ж магнітний потік, що пронизує контур провідника, збільшується, то напрямок ЕРС індукції зворот­ний напрямкові обертання ручки свердлика, загвинчуваного посту­пально за напрямком магнітних ліній.

Нарешті, напрямок індукційного струму, а отже, й ЕРС індукції визначають за правилом Ленца, яке можна сформулювати так: ЕРС індукції має завжди такий напрямок, за якого створений нею індук­ційний струм перешкоджає причині, що викликає цю ЕРС.

ЕРС індукції, що виникає в замкненому провіднику, прямо пропор­ційна швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує контур цьо­го провідника. Отже, якщо магнітний потік, що пронизує контур замк­неного провідника, зменшився на ΔФ протягом часу Δt, то швидкість зменшення магнітного потоку становить ΔФ/Δt. Це відношення і являє собою ЕРС індукції: е = — ΔФ/Δt. Знак мінус означає, що струм, утворений ЕРС індукції, перешкоджає причині, що викликала ЕРС.

Виникнення ЕРС індукції в замкненому контурі відбувається як у процесі руху цього контура в магнітному полі, так і під час зміни магнітного потоку, що пронизує нерухомий контур.

Якщо контур має ω послідовно з'єднаних витків, то індукована ЕРС є = — ωΔФ/Δt.

Добуток кількості витків на інтенсивність магнітного потоку, що пронизує ці витки, називається потокозчепленням ψ = ωФ, отже, індукована в котушці ЕРС

е = — Δ ψ Δt .

Ця формула виражає закон електромагнітної індукції і є вихідною для визначення ЕРС, індукованих в обмотках електротехнічних апа­ратів та електричних машин.

Коли контур охоплюється лише частиною магнітного потоку, то ЕРС індукції залежить від швидкості зміни не всього потоку, а тіль­ки частини його.

Припустимо, що прямокутний замкнений контур провідника абвга (рис. 25), сторони якого дорівнюють l та h (метрів), перебуває у магнітному полі, магнітна індукція якого в усіх точках становить В (тесла) і спрямована за площину рисунка. Нехай контур, залишаю­чись у площині рисунка, переміщується з рівномірною швидкістю зго­ри до низу і протягом часу t (секунд) виходить за межі магнітного поля. Оскільки контур провідника абвга переміщується донизу, то магніт­ний потік, що пронизує контур, зменшується. Отже, напрямок ЕРС індукції збігається з обертальним рухом ручки свердлика, який загвинчується вздовж магнітних ліній, тобто за годинниковою стріл­кою. Цю ЕРС індукції визначають, виходячи з таких міркувань. Пло­ща, обмежена контуром провідника, S = lh. Магнітний потік, що про­низує контур провідника, Ф = BS. Щоб вийти за межі магнітного потоку, тобто щоб змінити магнітний потік від Ф до нуля або на вели­чину ΔФ = Ф, треба, щоб Δt = t. Отже, Е = ΔФ/Δt = Ф/t або Е = Blh/t.

Частка від ділення шляху h, пройденого провідником, на час t є швидкістю руху цього провідника. Позначивши її літерою υ, матиме­мо Е = Blυ. Якщо в цій формулі магнітна індукція В виражена в тес­лах, довжина l — в метрах і швидкість υ — в метрах на секунду (м/с), то ЕРС індукції виразиться в вольтах. Ця формула справедлива тіль­ки в тому разі, якщо провідник переміщується в магнітному полі в напрямку, перпендикулярному до магнітних ліній цього поля.

Якщо провідник перетинає магнітні лінії під якимсь кутом, то Е = Blυ sin а, де а — кут між напрямком руху провідника і напрям­ком вектора магнітної індукції (магнітних ліній).

Індукційні струми виникають не тільки в ізольованих провідниках і обмотках, але і в суцільних металевих масах генераторів, електро­магнітних апаратів і механізмів, на які діють змінні магнітні поля. Ці струми, названі вихровими, обумовлюють додаткові витрати енер­гії, що перетворюється в теплову, яка нагріває частини приладів. Очевидно, що в таких випадках робота цих струмів є не тільки непо­трібною, але й шкідливою.

Щоб послабити вплив вихрових струмів, застосовують спеціальне складання осердь з ізольованих сталевих пластин. Осердя електро­магнітних пристроїв (трансформаторів, дроселів, електродвигунів тощо) складають із тонких сталевих листів, укритих папером, окали­ною або ізолюючим лаком. Проте повністю уникнути нагрівання, обумовленого вихровими струмами, неможливо, і в тих випадках, коли нагрівання може досягти високого ступеня, застосовують штуч­не охолодження приладів. Наприклад, потужні трансформатори роз­міщують в баках з маслом, яке добре відводить теплоту.

Втрати енергії від вихрових струмів залежать не тільки від власти­востей матеріалу, в якому вони виникають, та товщини сталевих пла­стин, з яких складено магнітопровід апарату чи машини, але також від магнітної індукції та швидкості її змінювання. У деяких випадках ви­никнення вихрових струмів виявляється бажаним. Зокрема, на вико­ристанні вихрових струмів грунтується робота індукційних електро­двигунів, індукційних електропечей для плавлення металів, індук­ційних електровимірювальних приладів (лічильники електроенергії), а також сушіння деревини, гартування металів тощо.