15.1 Явище електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції. Ерс провідника, що рухається в магнітному полі. Ерс індукції в нерухомих провідниках. Правило Ленца.

Явище електромагнітної індукції

1. Знайомство з явищем. Поворот магнітної стрілки поблизу провідника зі струмом у дослідах Ерстеда вперше вказав на зв’язок електричних і магнітних явищ. А чи не можна викликати появу струму за допомогою магнітного поля? Таку мету поставив собі у 1821 р. М. Фарадей, але успіх прийшов не зразу, це йому вдалося тільки через 10 років в 1831 році. Розв’язання цієї задачі не вдавалося Фарадею та іншим вченим тому, що вони намагалися отримати струм у нерухомій котушці під дією постійного магнітного поля. Між тим тільки зміна магнітного поля, що пронизує котушку може викликати струм.

Сьогодні явище електромагнітної індукції використовують у генераторах електричного струму, котушках індуктивності запалювальної системи автомобіля (індукторах), трансформаторах й у багатьох інших приладах.

2. Визначення. Явище виникнення електрорушійної сили в електропровідному контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує контур, називають явищем електромагнітної індукції.

*Якщо цей контур замкнений, то в ньому виникає електричний струм, який називають індукційним.

3. Умови виникнення явища: а) повинно існувати змінне магнітне поле. б) змінне магнітне поле повинно пронизувати електропровідний контур.

4. Математичний опис. Явище описується законом електромагнітної індукції та правилом Ленца.

5 . Пояснення явища електромагнітної індукції. Не зважаючи на те, що для явища електромагнітної індукції немає значення, яким способом відбувалася зміна магнітного поля природа індукції в різних випадках різна. Якщо зміна магнітного потоку відбувається внаслідок зміни площі (S) провідного контуру, або провідник рухається в постійному магнітному полі. Виникнення електрорушійної сили (ЕРС) пояснюють дією сили Лоренца на електрони провідності. Якщо ж площа контуру не змінюється, а змінюється величина вектора магнітної індукції, то виникнення струму пояснюють вихровим електричним полем, яке утворюється змінним магнітним полем.

ЕРС провідника, що рухається в магнітному полі

Нехай провідник, довжиною l, рухається у магнітному полі з індукцією В, під кутом α до вектора магнітної індукції зі швидкістю v (Рисунок 15.1). Знайдемо електрорушійну силу, що виникає в провіднику.

За визначенням, ЕРС дорівнює відношенню роботи по переміщенню заряду до B величини заряду . Вільними зарядами в металевих провідниках є електрони, тобто q = е, вони рухаються разом із провідником, тому сторонньою силою є сила Лоренца (F_Л) А_ст = F_Лs.

Силу Лоренца знаходять за формулою F_Л = Веvsinα. Під дією сили Лоренца електрони здійснюють переміщення рівне довжині провідника

s = l. Тому А_ст = Веvlsinα.

Звідки , провівши перетворення виразу, отримаємо формулу розрахунку електрорушійної сили провідника, що рухається в магнітному полі.

ξ = Вlvsinα.

ЕРС індукції в нерухомих провідниках

Максвелл для пояснення ЕРС індукції в нерухомих провідниках припустив, що всяке змінне магнітне поле збуджує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, яке і є причиною виникнення індукційного струму в провіднику. Циркуляція вектора Е_В цього поля по будь-якому нерухомому контуру L провідника являє собою ЕРС електромагнітної індукції

Дослід Фарадея

1 . Мета досліду - створити електричний струм за допомогою магнітного поля.

2. Схема досліду (Рисунок 15.2).

3. Хід досліду: змінюють магнітне поле, що пронизує котушку з гальванометром на рис. 1 а) рухаючи магніт; б) змінюючи силу струму в котушці L₂

4. Результат досліду: у котушці з гальванометром під час зміни магнітного поля виникає струм.

5. Висновок: тільки змінне магнітне поле породжує електричний струм.

Закон електромагнітної індукції Фарадея

1. Установлює, від чого і як залежить ЕРС індукції магнітного поля.

2. Визначення. Електрорушійна сила, що виникає в контурі, пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує контур.

3. Математичний опис , (для котушки з N витків ), де ξ – електрорушійна сила, dФ - зміна магнітного потоку, dt - час цієї зміни.

4 . Межі застосування. Закон застосовують тільки для провідного контуру, що знаходиться у змінному магнітному полі.

Правило Ленца

1. Правило Ленца встановлює напрям струму що виникає в замкненому провіднику при явищі електромагнітної індукції.

2. Визначення. Електричний струм завжди напрямлений так, щоб протидіяти своїм магнітним полем причині, що його викликає.

3..............

4. Правило використовують для явища електромагнітної індукції й самоіндукції в замкнених контурах.

Пояснити правило Ленца нам допоможе наступний ланцюжок міркувань (Рисунок 15.3):

- при введенні магніту в кільце виникає змінне магнітне поле;

- змінне магнітне поле утворює вихрове електричне поле;

- вихрове електричне поле примушує рухатися вільні носії зарядів у кільці, утворюючи індукційний електричний струм;

- струм у кільці утворює власне магнітне поле кільця, яке напрямлене так, що протидіє введенню магніту.

При вийманні магніту з кільця ланцюжок міркувань повторюється, тільки магнітне поле кільця протидіє магнітному вийманню магніту.