25. Явление электромагнитной индукции.

Движущиеся заряженные частицы (электрический ток) являются источником магнитного поля, а возможен ли обратный процесс? Да, оказывается, возможен. Движущееся магнитное поле является источником движения заряженных частиц. Мы рассматривали движение заряженной частицы в магнитном поле в вакууме. Траекторией является окружность. Если множество одинаковых частиц движутся с одинаковой скоростью, то они создают круговой ток. Но этим током нельзя воспользоваться, его нельзя заставить работать, если у этого тока отнимать энергию (заставить его совершать работу), то он немедленно прекратится, ведь восполнять энергию току неоткуда.

Пусть проводник АВ движется со скоростью по проводящим рельсам АС и ВD в магнитном поле индукцией . Вместе с проводником в этом же направлении движутся свободные заряды, находящиеся внутри. На движущий заряд в магнитном поле действует сила Лоренца, и электроны соберутся на стороне А. Точка А зарядится отрицательно, а точка В -положительно. Замкнув т.Д и т.С замкнутую цепь по которой потечёт электрический ток. Работа по перемещению зарядов, это работа магнитного поля, т.е. работа сторонних сил.

F-сила Лоренца

перемещение = - длине движущегося проводника.

– угол между силой и перемещением.

Подставим , здесь угол между и и равен 90^o

так находится ЭДС в движущемся проводнике, если =90^o

С корость при равномерном движении найдем , но - это площадь контура, который пересёк проводник в магнитном поле. . Произведение называют поток вектора магнитной индукции Вебер, отсюда .

Э.Д.С. равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего проводящий контур. Это закон электромагнитной индукции открытый Фарадеем в 1831г. В проводнике движущем в магнитном поле происходит разделение зарядов. Значит, он является источником электрической энергии. Явление возникновения Э.Д.С. в проводнике, движущемся в магнитном поле, применяется в индукционных генераторах для получения электрического тока.

Однако изменить поток магнитной индукции можно не только за счёт изменения площади S, но и за счёт изменения вектора индукции магнитного поля. В электрическую цепь включим через реостат катушку. Изменяя ток в катушке, мы добьемся, изменения вектора магнитной индукции , а значит и магнитного потока . И если около катушки поместить проводящий контур А в нём возникнет индукционный ток, Э.Д.С. индукции описывается такой же формулой , W-число витков катушки.

Однако механизм возникновения тока будет совсем другой. Изменение силы тока, означает, что скорость направленного движения заряженных частиц тоже изменяется, значит, электроны в катушке В движутся ускоренно. Оказалось, что если заряд движется с ускорением, вокруг него образуется электромагнитная волна (изменяющееся электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве) причём в этом случае и магнитное, и электрическое поле являются вихревыми, т.е. замкнутыми. Кроме кулоновского электрического поля, силовые линии которого начинаются на положительном заряде, а заканчиваются на отрицательном, здесь мы имеем вихревое изменяемое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты и которое не может существовать отдельно от изменяемого магнитного поля. Вихревое электрическое поле создаёт электрический ток в проводящем контуре А. Вихревое электрическое поле также характеризуется напряжённостью электрического поля. Вспомним, что ЭДС – это работа по перемещению единичного положительного заряда , работа равна А=FS, а сила равна F=Eq, отсюда , вспомним, что вектор магнитного поля прямого тока равен . Очень схожие формулы.

,

Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике или покоящемся в переменном магнитном поле называется явлением электромагнитной индукции. Если проводник замкнут возникает индукционный ток.

Для определения направления индукционного тока существует правило Ленца: индукционный ток течёт в таком направлении, что своим магнитным полем, он препятствует изменению магнитного потока, вызывающего явление индукции.

Пример: в электрическую катушку вносят магнит северным полюсом. Определить направление индукционного тока катушки.

1. Определим направление внешнего поля (поля магнита). Магнитное поле магнита направлено из северного полюса (сплошная линия).

2. Выясним изменение внешнего магнитного поля. В нём магнит приближается, значит поле увеличивается.

3. Узнаем направление магнитного поля индукционного тока. Если внешнее магнитное поле увеличивается, то магнитное поле индукционного тока направлено против внешнего магнитного поля. Если внешнее магнитное поле уменьшается, то магнитное поле индукционного тока направлено вдоль внешнего магнитного поля (штрихованные линии)

4. По правилу буравчика определяем направление индукционного тока.

Возникновение Э.Д.С. индукции в неподвижном проводнике в переменном магнитном поле применяется в трансформаторах - электрических машинах изменяющих напряжение и силу тока переменного тока.