Кафедра Физики

Учебно-методический комплекс по дисциплине

Физика

Часть II

Электромагнетизм. Колебания и волны. Волновая и квантовая оптика. Атомная и ядерная физика.

Ростов – на -Дону 2012г.

Лекция 1. (2 часа)

Электромагнитная индукция

(Магнитный поток. Опыты Фарадея. Явление и закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Вихревые токи (токи Фуко).Индуктивность контура. Самоиндукция. Токи при размыкании и замыкании цепи. Взаимная индукция. Энергия и плотность энергии магнитного поля.)

Явление электромагнитной индукции

В 1831 году М.Фарадей открыл, что во всяком замкнутом проводящем контуре, при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром, возникает электрический ток.

Это явление называется явлением электромагнитной индукции, а возникающий ток называется индукционным током.

Величина индукционного тока не зависит от способа, которым изменяется магнитный поток и определяется лишь скоростью изменения магнитного потока , т.е. определяется производной от потока магнитной индукции по времени ‑ . При изменении знака производной направление тока также меняется на противоположное.

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца.

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей.

Или, несколько другая формулировка, поскольку все обусловлено магнитным полем.

Магнитное поле возникающего индукционного тока стремится препятствовать, вызвавшему его, изменению магнитного потока.

Необходимо отметить, что это правило является прямым следствием закона сохранения энергии.

Действительно, рассмотрим постоянный магнит, создающий магнитное поле, индукцией , и проводящий контур, замкнутый на гальванометр (см. рис. 1). Гальванометр ‑ это прибор, служащий для регистрации наличия тока и его направления. Будем, например, вдвигать магнит в контур. При этом, очевидно, площадь контура не меняется ‑ . Но индукция поля увеличивается ‑ (т.к. магнит приближается к контуру). Следовательно, увеличивается и магнитный поток, пронизывающий контур , следовательно, изменение магнитного потока положительно ‑ .

С огласно явлению электромагнитной индукции в контуре, при вдвигании магнита, возникает индукционный ток. Контур с током возбудит магнитное поле, с индукцией . Предположим, что индукционный ток имеет направление, показанное на рисунке. Тогда магнитное поле контура будет направлено против поля магнита , т.е. контур стремится вытолкнуть магнит. При этом, вдвигая магнит, мы совершаем работу против сил отталкивания, за счет которой и происходит нагрев проводника при протекании индукционного тока. В этом и состоит правило Ленца.

Предположим теперь, что индукционный ток имел бы противоположное направление. Тогда возбуждаемое им магнитное поле имело бы противоположное направление, и магнит втягивался бы в контур. Причем его скорость увеличивалась бы, возрастала бы и его кинетическая энергия. Встает вопрос, а за счет работы какой внешней силы возрастала бы кинетическая энергия магнита? Кроме того, при протекании индукционного тока контур нагревается. А эта тепловая энергия возникает за счет чего?

В то время как в первом случае все ясно. Мы преодолеваем силы отталкивания между контуром и магнитом, т.е. совершаем работу, вдвигая магнит. Эта работа идет на увеличение энергии проводника, на его нагревание, на отклонение стрелки гальванометра и т.д.