Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
74
Добавлен:
29.03.2015
Размер:
2.41 Mб
Скачать

3.15. Природа электромагнитной индукции

В предыдущих разделах мы рассмотрели закон электромагнитной индукции и различные его проявления. Возникновение ЭДС индукции и индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через этот контур означает, что на электроны в контуре действуют какие-то сторонние силы, заставляющие электроны двигаться упорядоченно. Рассмотрим природу этих сил.

Как уже обсуждалось в п. 3.10, явление возникновения ЭДС индукции наблюдается либо при изменении магнитного поля во времени, либо при движении контура или его частей во внешнем магнитном поле. В соответствии с этим существует и две различных причины возникновения ЭДС индукции.

Рассмотрим первый случай, когда контур или его часть движется в магнитном поле. Вновь обратимся к опыту, изображенному на рис. 3.22. Пусть перемычка CD длиной движется со скоростьюв однородном магнитном поле, индукциякоторого перпендикулярна плоскости контураABCD. Формально магнитный поток изменяется вследствие изменения площади контура, в результате чего в контуре действует ЭДС индукции и течет индукционный ток (см. пример 3.13). Разберём ситуацию более детально (рис. 3.25). Так как перемычка движется со скоростью вправо, электроны внутри неё движутся вправо точно с такой же скоростью. Индукционный ток по перемычкеCD течет сверху вниз, следовательно, электроны движутся упорядоченно снизу вверх с некоторой скоростью относи­тель­но проводника. В итоге резуль­ти­рующая скорость элек­тронанаправлена под некоторым уг­лом к проводнику. На электрон, дви­жу­щийся в магнитном поле, действует сила Ло­рен­ца, перпендикулярная ско­ро­сти. Силу Лоренца можно разложить на две составляющие, действующие вдоль провода и перпендикулярно ему:. Силанаправлена пер­пен­дикулярно проводу против на­пра­вле­ния его перемещения. Такая сила дей­ствует на каждый электрон в проводе. По сути, сумма всех сил, действующих на различные электроны, представляет собой силу Ампера (см. пример 3.13). Она стремится затормозить проводник и совершает отрицательную работу. Составляющаянаправлена вдоль проводника, разгоняет электроны и совершает положительную работу, работа составляющейотрицательна. Полная работа силы Лоренца, как всегда, равна нулю. Силапривела бы к остановке перемычкиCD, если бы на перемычку не действовала еще одна сила, совершающая положительную работу, - сила тяги. И в конечном итоге именно за счет механических усилий, т.е. работы силы тяги, вырабатывается электроэнергия (по контуру ABCD течет ток и контур нагревается).

Составляющая силы Лоренца обусловлена движением проводника со скоростью(рис. 3.25). Поэтому. Работа по перемещению одного электрона от одного полюса перемычкиCD к другому , работа по перемещениюN электронов , где суммарный заряд, прошедший вдоль перемычки. Тогда ЭДС индукции (см. формулу (2.12)) . Этот результат совпадает с результатом (3.32) примера 3.13, полученным формально из закона электромагнитной индукции.

Если движущаяся перемычка CD незамкнута, то индукционного тока не будет, но один из концов перемычки под действием силы Лоренца зарядится отрицательно, а другой положительно, т.е. между концами перемычки возникнет разность потенциалов, которая и будет равна ЭДС индукции, определяемой выражением (3.32). Можно сказать, что в этом случае движущаяся в магнитном поле перемычка будет представлять собой незамкнутую «батарейку». Небольшая разность потенциалов возникает, например, на концах крыльев самолетов, осей машин и т.п. при движении в магнитном поле Земли.

Таким образом, роль сторонних сил, вызывающих появление ЭДС индукции в случае движения контура или его части в магнитном поле играет сила Лоренца, или точнее её составляющая, направленная вдоль проводника. Именно сила Лоренца, например, действует на электроны во вращающемся в магнитном поле якоре, приводя к возникновению электродвижущей силы генератора. Можно сказать, что возникновение индукционного тока в случае движения контура или его частей не представляет собой принципиально нового физического явления. Похожим образом, например, объясняется эффект Холла, рассмотренный в п. 3.5.

Рассмотрим второй случай возникновения, когда ЭДС индукции и индукционный ток возникают в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Понятно, что в этом случае сила Лоренца на свободные заряды не действует. Какая же сторонняя сила приводит в упорядоченное движение электроны в этом случае? Максвелл предположил, что имеет место совершенно новое физическое явление: изменяющееся во времени магнитное поле приводит к появлению в пространстве вихревого электрического поля.

Возникновение индукционного тока в контуре, находящимся в переменном магнитном поле можно объяснить следующим образом. Переменное магнитное поле порождает в пространстве вихревое электрическое поле. Как и любое электрическое поле, вихревое электрическое поле действует на свободные электроны контура с силой, и электроны движутся упорядоченно, т.е. возникает ток. Отметим, однако, что само вихревое электрическое поле возникает в пространстве, где есть переменное магнитное поле вне всякой зависимости от наличия проводящего контура. Проводящий контур играет роль своеобразного индикатора, «лакмусовой бумажки», указывающей на существование в пространстве вихревого электрического поля. В этом существенная разница трактовки закона электромагнитной индукции Фарадея и Максвелла. Фарадей, на опыте открывший этот закон, видел его суть в возникновении индукционного тока. По Максвеллу, суть закона в возникновении вихревого электрического поля. (В дальнейшем Максвелл постулировал факт, в то время не подкрепленный никакими экспериментами, что, в свою очередь, переменное электрическое поле порождает магнитное поле). Эта гениальная догадка Максвелла является важнейшим законом физики, открытым в 19 веке. Фарадей и Максвелл внесли грандиозный вклад в развитие теории электромагнетизма. Их работы заложили основы нового раздела физики – волновой оптики (теории света как электромагнитной волны).

Термин вихревое поле означает, что силовые линии такого поля замкнуты. Вихревое электрическое поле существует вне прямой связи с зарядами – его источником является переменное магнитное поле. Работа по перемещению заряда в потенциальном электрическом поле, источником которого являются какие-то заряды, равна нулю (см. п. 1.12). Работа же вихревого электрического поля по замкнутому контуру отлична от нуля. Работа силы, действующей со стороны вихревого электрического поля, по перемещению положительного единичного заряда по замкнутому контуру и представляет собой ЭДС индукции в контуре: (см. формулу 2.12). Работа вихревого поляпо перемещению заряда по замкнутому контуруL (см. также п. 1.12): . Тогда:

. (3.39)

Если ЭДС индукции представить как произведение некоторого среднего значения напряженности вихревого электрического поля на длину контура , то для оценки величины напряженности вихревого поля, направленного вдоль провода, получим.

По закону электромагнитной индукции (3.25,а) из уравнения (3.39) получаем:

. (3.40)

Учитывая выражение для магнитного потока (3.19, а), уравнение (3.40) можно представить в виде:

, (3.40,а)

где S может быть любой поверхностью, натянутой на контур L.

Уравнение (3.40,а) представляет собой одно из уравнений Максвелла. Его смысл в том, что источником электрического поля может быть переменное магнитное поле. Или буквально: переменное магнитное поле создаёт отличную от нуля циркуляцию электрического поля.

В соответствии с принципом относительности Эйнштейна все явления природы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета. Принципа относительности мы уже касались в п. 3.1, когда говорили о том, что в любой инерциальной системе отсчета действующая на заряд электромагнитная сила одна и та же, хотя ее электрическая и магнитная составляющие могут изменяться.

На первый взгляд может показаться, что закон электромагнитной индукции описывает принципиально два различных физических явления: возникновение ЭДС индукции и индукционного тока в контуре в результате действия силы Лоренца (т.е. действия самого магнитного поля) и в результате действия вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Сам же закон (3.25) одинаков в обоих случаях! Выясним причины этого «совпадения». Рассмотрим вновь опыт Фарадея, представленный на рис. 3.18. Представим себе двух наблюдателей, один из которых «сидит» на магните, а другой – на кольце. Если в контур кольца включить гальванометр, то оба наблюдателя увидят отклонение его стрелки. Первый наблюдатель, находящийся на кольце, будет утверждать, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое, которое действует на электроны кольца с силой, в результате по кольцу идет ток. Для второго наблюдателя, находящегося на магните, магнит неподвижен, а движется кольцо. Поэтому он скажет, что причиной тока является сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на электроны кольца. Обоих наблюдателей «примиряет» принцип относительности Эйнштейна. Важно, что они, находясь в разных системах отсчета, наблюдают одно и то же физическое явление: одинаковый индукционный ток в кольце, а значит и одинаковую ЭДС индукции. Поэтому и сам закон Фарадея (3.25) должен выглядеть одинаково для обоих случаев.

Важным следствием принципа относительности Эйнштейна является относительность магнитного и электрического полей. Нельзя утверждать, что в пространстве имеется магнитное или электрическое поля, не указывая, относительно какой системы отсчёта ведется наблюдение. Если для первого наблюдателя вихревое электрическое поле существует, то для второго наблюдателя его нет.

Относительность электрического и магнитного полей следует также из того факта, что в любой инерциальной системе отсчета ускорение заряда и электромагнитная сила (обобщенная сила Лоренца – см. формулу (3.2)) одни и те же.

Соседние файлы в папке Уч_Пособие_Часть_2