3.4.4 Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

При изменении магнитного потока через замкнутый контур в нём возникает ЭДС индукции, равная модулю скорости изменения магнитного потока, а соответствующий индукционный ток направлен так, чтобы скомпенсировать это изменение.

Так как источниками электрического и магнитного поля являются электрические заряды, эти поля должны быть тесно связаны между собой. Впервые связь между магнитными и электрическими явлениями была доказана английским физиком М. Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции (ЭМИ) – возникновение тока в проводнике, когда он находится в изменяющемся магнитном поле или движется в постоянном магнитном поле.

Чтобы продемонстрировать явление ЭМИ, возьмём постоянный магнит и катушку из проволоки, соединённую к чувствительному гальванометру. Пока магнит неподвижен относительно катушки, ток в ней отсутствует. Однако, как только магнит начинают вдвигать внутрь катушки, в ней появляется ток. При выдвигании магнита из катушки знак тока меняется на противоположный. Этот ток называют индукционным током. Индукционный ток возникает в проводящем контуре не только в тех случаях, когда он движется относительно постоянного магнита, но и при всяких изменениях внешнего магнитного поля, например, при выключении или включении тока через находящийся рядом электромагнит.

Для количественного описания явления ЭМИ необходимо ввести новую физическую величину – поток магнитной индукции или магнитный поток. Магнитным потоком Ф через плоский замкнутый проводящий контур с площадью поверхности S, находящийся в однородном магнитном поле, называют величину, равную произведению модуля магнитной индукции В, площади контура S и косинуса угла a между вектором магнитной индукции и нормалью n к плоскости контура:

Ф = B^.S^.cos(a) (93)

Магнитный поток пропорционален числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность данного контура. Единицей магнитного потока в СИ является вебер (Вб): 1 Вб=1 Тл^.м².

Результаты опытов Фарадея показали, что индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Направление индукционного тока помогает определить правило Ленца – магнитное поле индукционного тока противодействует тому изменению магнитного потока, которым он был вызван.

Возникновение индукционного тока говорит о том, что в проводящем контуре появляются сторонние силы, действующие на свободные заряды. Величину сторонних сил, появляющихся в замкнутом контуре при явлениях ЭМИ, характеризуют ЭДС индукции, E_i , которая связана с магнитным потоком через этот контур следующим образом:

(94)

где DФ – изменение магнитного потока через контур, произошедшее за интервал времени Dt, а знак «минус» указывает на то, что для вычисления E_i необходимо соблюдать правило Ленца. Уравнение (94) называют законом ЭМИ.

Изучая явления ЭМИ, английский физик Дж. Максвелл пришёл к выводу, что изменяющееся во времени магнитное поле всегда рождает электрическое поле, а находящиеся в этом месте свободные электроны проводящего контура лишь позволяют регистрировать это электрическое поле в виде индукционного тока. При этом возникающее электрическое поле является вихревым (как и магнитное), так как его силовые линии замкнуты.