15. Електромагнітна індукція

Явище електромагнітної індукції було відкрито 29 серпня 1831 р. Рідкісний випадок, коли дата нового чудового відкриття відома так точно. Ось короткий опис першого досліду, даний самим Фарадеєм.

„На широку дерев’яну котушку було намотано мідний дріт завдовжки 203 фути і між витками його намотано дріт такої самої довжини, але ізольований від першого бавовняною ниткою. Одну з цих спіралей було з’єднано з гальванометром, а другу – з потужною батареєю, що складалася з 100 пар пластин... При замиканні ланцюга вдавалося помітити раптову, але дуже слабку дію на гальванометрі, й те саме було помітно тоді, коли струм припинявся. А при безперервному проходженні струму через одну із спіралей не вдавалося помітити ні дії на гальванометр, ні взагалі якої-небудь індукційної дії на другу спіраль, незважаючи на те, що нагрівання всієї спіралі, з’єднаної з батареєю, і яскравість іскри, що проскакувала між вуглинами, свідчили про потужність батареї” (М. Фарадей. Експериментальне дослідження з електрики, І серія).

Схему досліду Фарадея подано на рис. 5.31. Тут М – немагнітний стрижень. Б − батарея елементів електрорушійної сили, К – ключ. Замінивши ключ реостатом, Фарадей помітив, що при зміні струму у першому провіднику, в другому виникає струм, напрям якого залежить від того, зменшуєтьсячи збільшується.

Отже, спочатку було відкрито індукцію в нерухомих один відносно одного провідниках (прообраз сучасного трансформатора). Потім, ясно розуміючи, що наближення або віддаляння провідників із струмом призводитиме до такого самого результату, як і замикання та розмикання ланцюга, Фарадей за допомогою дослідів довів, що струм виникає при переміщенні котушок одна відносно одної. Знаючи про роботи Ампера, Фарадей розумів також, що струм це – магніт, а магніт в свою чергу – сукупність струмів. 17 жовтня, як зареєстровано в його лабораторному журналі, було виявлено індукційний струм у котушці в момент всування (або виймання) магніту (рис. 5.32). Напрям струму в котушці залежить від того, яким полюсом магніт був звернений до котушки, і наближався чи віддалявся магніт від неї.

Протягом одного місяця Фарадей дослідним шляхом відкрив усі істотні особливості явища електромагнітної індукції. Досліди Фарадея ясно показали, що індукційний струм спричиняється зміною магнітного поля, що пронизує котушку. Відкрите Фарадеєм явище дістало назвуелектромагнітної індукції.

Індукційний струм провідності у замкненому ланцюгу може виникнути тільки під дією сторонніх сил. Е.р.с., що їм відповідає, називають електрорушійною силою електромагнітної індукції (е.р.с. індукції) ℰ_i. Це дає змогу так сформулювати закон Фарадея – закон електромагнітної індукції:

Е.р.с. електромагнітної індукції в контурі пропорційна швидкості зміни магнітного потоку Φ_m через поверхню, натягнуту на цей контур:

ℰ_i, (5.91)

де − коефіцієнт пропорційності. Е.р.с. електромагнітної індукції не залежить від того, що спричиняє зміну магнітного потоку.

Професор Петербурзького університету Е.Х. Ленц установив закон – правило Ленца − який дає змогу визначити напрям індукційного струму:

При всякій зміні магнітного потоку через поверхню, натягнуту на замкнений провідний контур, у контурі виникає індукційний струм такого напряму, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку.

Оскільки у фізиці прийнято праву систему координат, напрям обходу контура при визначенні ℰ_i і напрям нормалі при визначенні магнітного потоку, зчепленого з контуром, мають бути узгодженими з правилом правого гвинта (свердлика):з кінця вектора обхід контура здається напрямленим проти руху годинникової стрілки.

У СІ коефіцієнт . Тоді математичний вираз закону Фарадея (основного закону електромагнітної індукції) можна подати у формі:

ℰ_i, (5.92)

Знак „мінус” у правій частині рівняння (5.92) відповідає правилу Ленца.

Електрорушійна сила електромагнітної індукції в замкненому провідному контурі дорівнює за модулем і протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, натягнуту на контур.

У системі одиниць СІ закон електромагнітної індукції використовують для встановлення одиниці магнітного потоку. Цю одиницю називають вебером (Вб).

В електротехніці вводять фізичну величину −потокозчеплення. Якщо − потік через один виток, а− кількість витків, то. Тоді вираз (5.92) можна записати у вигляді:

ℰ_i, (5.93)

Якщо електричний опір контура дорівнює , то індукційний струм:

. (5.94)

Оскільки , то

. (5.95)

За час, протягом якого потокозчеплення змінюється від до, переноситься заряд:

. (5.96)

Розгляньмо виникнення індукційних струмів у масивних провідниках. Опір цих провідників малий. Тому е.р.с. індукції, що збуджується в них, здатна створити вихрові струми дуже великої сили. Ці струми, які називаються струмами Фуко на честь французького фізика, який їх дослідив, можна використати для нагрівання провідників. На даному принципі ґрунтується конструкція індукційних електропечей. Особливо широко ці печі застосовують для плавлення металів у вакуумі, коли інші методи практично непридатні. Проте у багатьох поширених електротехнічних установках виникнення струмів Фуко призводить до марних втрат енергії на виділення тепла.