§ 21. Электромагнитная индукция

Индуцирование э. д. с. При пересечении проводником силовых линий магнитного поля в нем возникает или, как говорят, индуци­руется э. д. с. Это явление называется электромагнитной индукцией.

70

Возникновение э.д.с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны. Свободные электроны под влиянием этих сил начнут двигаться вдоль провод­ника (рис. 51, а). В результате этого движения на одном конце про­водника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд, а на другом конце ввиду недостатка электро­нов появится положительный заряд. Такое разделение электри­ческих зарядов при движении проводника в магнитном поле будет происходить до тех пор, пока электромагнитные силы не уравно­весятся силами электрического поля, возникающего в проводнике в результате появления на его концах разноименных электри­ческих зарядов. Разность потенциалов на концах проводника чис­ленно равна индуцированной в проводнике э.д.с. Индуцирование э.д.с. в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах провод­ника по замкнутой цепи потечет электрический ток.

Значение индуцированной э. д. с. определяется законом электро­магнитной индукции Фарадея. Он формулируется следующим обра­зом. Индуцированная э. д. с. е прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника I и скорости его переме­щения V в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля,

Если проводник движется под углом а к направлению поля, то

Если проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. как бы скользит по ним, то э.д.с. в нем не возникает.

Направление индуцированной э. д. с. определяют правилом правой руки. Если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец сов­местить с направлением движения проводника (т. е. направлением его скорости и), то вытянутые четыре пальца укажут направление индудированной э.д.с. е (рис. 51, б). Пользуясь этим правилом, легко убедиться в том, что при изменении направления движения провод­ника будет изменяться и направление индуцированной э.д.с.

Индуцировать э.д.с. в проводниках можно и не перемещая их в магнитном поле. Для этого необходимо перемещать само магнитное поле или изменять тем или иным путем магнитный поток, охваты­ваемый витком, катушкой или каким-либо другим замкнутым кон­туром. Индуцированная таким образом э.д.с. определяется согласно закону электромагнитной индукции Максвелла: э.д.с, индуцирован­ная в замкнутом контуре (рис. 52,а), равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур, т. е.

• изменение магнитного потока, пронизывающего кон­тур (от значения Ф, до значения Ф₂);

• промежуток времени (от момента 1\ до момента /г), в течение которого происходит указанное из­менение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, про­низывающий замкнутый контур, тем больше индуцированная э.д.с.

Каждый виток можно рассматривать как некоторый замкнутый контур. Поэтому индуцированная в нем э.д.с. определяется по фор­муле (51). Э.д.с, индуцированная в катушке с числом витков ш, если все ее витки пронизываются одним и тем же потоком (рис. 52, б),

Отдельные витки катушки могут пронизываться различными потоками (рис. 52, в), т. е. могут быть сцеплены с различным числом силовых магнитных линий. Алгебраическая сумма потоков, сцеплен­ных со всеми витками катушки называется ее потокосцеплением Ч^г. Например, для катушки, показанной на рис. 52, Следовательно, в общем случае индуцированная э.д.с. равна ско­рости изменения потокосцепления катушки.

Правило Ленца. Направление индуцированной э.д.с. определяет­ся правилом Ленца. Его формулируют следующим образом: инду­цированная э.д.с. имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление э.д.с, т. е. противодействует изменению магнитного потока. Знак «минус» в формулах (51), (5Г) и (52) выражает существо правила Ленца: если изменение потока Ф или потокосцепления 4^я положительно (например, увеличивается), то э.д.с. е отрицательна, т. е. созданный ею ток будет уменьшать Ф или 4^х.

Правило Ленца может быть проиллюстрировано следующими примерами. При опускании магнита (или электромагнита) внутрь катушки (рис. 53, а) э.д.с, индуцированная в катушке, имеет такое направление, при котором созданное током катушки магнитное поле будет противодействовать опусканию магнита. При удалении же магнита из катушки (рис. 53, б) индуцированная в ней э.д.с. соз­дает ток, направленный так, что магнитное поле катушки препят­ствует удалению магнита.

Если изменять ток ц в проводнике АБ (рис. 54), например замы­кая и размыкая электрическую цепь, в которую он включен, то в расположенном параллельно ему проводнике ВГ индуцируется э.д.с. е_м. Индуцирование э.д.с. происходит в результате изменения маг­нитного потока, созданного током ц. Часть этого изменяющегося по­тока пронизывает замкнутый контур, составленный из проводника ВГ и присоединенного к нему электроизмерительного прибора. Э. д. с. е„ направлена так, чтобы вызванный ею ток /г создавал магнитный поток, препятствующий изменению магнитного поля, созданного током 1\, протекающим в проводнике АБ.

При увеличении тока 1\ э. д. с. е_м и ток /г в проводнике ВГ будут направлены против тока г\. При уменьшении же тока 1\ э. д. с. е_и и ток 12 будут направлены в ту же сторону, что и ток 1\.

Способы индуцирования э. д. с. в электрических машинах. Явление электромагнитной индукции широко используется в различ­ных электрических машинах и устройствах. На этом принципе осно вано устройство электрических генераторов, двигателей и трансфор­маторов. Для индуцирования э. д. с. в них обычно применяются три способа:

изменение тока в катушке / (рис. 55, а), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке, будут индуцироваться электродвижущие силы в2 и е\. Этот способ используют в трансформаторах; 74

вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис. 55, б). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуцируются э. д. с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока;

вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромаг­нитами (рис. 55, в). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуцируется э. д. с. е. Этот способ используют в основном в электрических машинах постоянного тока.

В рассмотренных случаях э. д. с, индуцированные в витках или катушках, будут переменными.