Лекция 7
Тема: Электромагнитная индукция
Вопросы:1) Явление электромагнитной индукции
Самоиндукция.
Энергия магнитного поля
1. Электрические токи создают вокруг себя магнитное поле. В 1831 году М. Фарадей открыл обратное явление: изменяющееся магнитное поле вызывает появление в проводниках тока. Это явление получило название электромагнитной индукции. На рис.7.1 показаны опыты
а б в
Рис. 7.1
Одна катушка соединена с источником тока, а вторая – с гальванометром. Если катушки неподвижны, то в цепи с гальванометром тока нет. При перемещении катушки или замыкании – размыкании цепи гальванометр показывает наличие тока. Направление индукционного тока при усилении магнитного поля противоположно направлению тока при ослаблении поля; если магнитное поле не меняется, то тока нет. Следовательно, опыты показывают, что причиной появления индукционного тока является изменение магнитного поля.
Закон Ленца: индукционный ток во всех случаях направлен таким образом, что его действие уменьшает причину, вызвавшую этот ток (рис.7.2).
Рис.7.2
Фарадей установил количественный закон электромагнитной индукции. Однако, в более общем случае закон был установлен Максвеллом, который проанализировал опыты Фарадея. Возникновение индукционного тока означает, что в проводнике появляется электродвижущая сила, и происходит это, когда проводник пересекает линии магнитной индукции.
Основной закон электромагнитной индукции: эдс электромагнитной индукции пропорциональна быстроте изменения магнитного потока через площадь, ограниченную контуром
.
Знак минус соответствует закону Ленца. Как видно из рис.7.3, направление нормали n и выбранное положительное направление обхода контура l связаны правилом правого буравчика.
Рис.7.3 Магнитный поток через замкнутый контур.
Если магнитное
поле увеличивается, т.е.
>0,
то
<
0, а значит и индукционный ток I<
0. Это означает, что направление
индукционного тока противоположно
выбранному положительному направлению.
Явление электромагнитной индукции положено в основу работы генераторов электрического тока, электрических двигателей, трансформаторов и других электротехнических устройств.
Пример. Пусть
в однородном магнитном поле находится
проводник в виде замкнутого контура.
Магнитный поток через контур Ф =В Scosα.
Если контур вращается с постоянной
угловой скоростью
,
то Ф =ВScosωt.
Значит, при вращении контура магнитный
поток через него меняется и в контуре
возникает эдс индукции
= В Sωsinωt,
и течет синусоидальный
(переменный) ток
=
.
2. Пусть в проводнике в виде катушки течет ток (рис.7.4).
Рис.7.4
Величина магнитной индукции в любой точке поля пропорциональна величине тока, а значит, и магнитный поток, пронизывающий катушку, пропорционален току
Ф = LI.
Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. Единицей индуктивности служит генри (Гн). 1 Гн = 1 Вб/А.
Индуктивность проводников зависит от их размеров, формы, от магнитной проницаемости среды. Так, индуктивность проводника в виде катушки равна
,
где N - число витков катушки, l - длина катушки, S - площадь поперечного сечения катушки.
При изменении тока меняется магнитный поток через витки катушки, поэтому в катушке возникает эдс индукции и индукционный ток. Явление возникновение дополнительного индукционного тока в проводнике при всяком изменении основного тока называется самоиндукцией. Величина эдс самоиндукции
пропорциональна быстроте изменения тока.
Пусть имеется электрическая цепь (рис.7.5) с двумя лампочками Л1 и Л2, подключенными к источнику тока. К лампочке Л1 подключена последовательно катушка индуктивности.
Рис.7.5
При разомкнутом ключе тока нет, и лампочки не светятся. Если ключ замкнуть, то медленнее загорается лампочка Л1., так как при нарастании тока в катушке индуктивности появляется эдс самоиндукции и течет индукционный ток, направленный против основного тока (препятствует нарастанию тока). При установившемся значении основного тока индукционный ток исчезает.
При размыкании ключа ток уменьшается и в катушке возникает индукционный ток такого же направления (препятствует уменьшению тока). Чем быстрее изменяется основной ток, тем больше величина индукционного тока (экстратока). Лампочка Л1 при этом ярко вспыхивает и гаснет позже Л2.