Природа явления электромагнитной индукции

Мы выяснили, чему равна э.д.с. индукции, как направлен индукционный ток. Необходимо ответить на вопрос, а почему возникает э.д.с. индукции. Какие силы заставляют электроны в проводниках двигаться?

Рассмотрим для примера известное Вам устройство – трансформатор. У него в первичной обмотке течёт переменный ток, который создаёт магнитное поле. Магнитное поле может действовать только на движущиеся заряды. При включении трансформатора во вторичной обмотке сразу же появляется ток, т.е. электроны во вторичной обмотке сразу начинают упорядоченно двигаться. Но до включения они покоились, и на них магнитное поле первой обмотки действовать не могло. Мы точно знаем, что во вторичной обмотке нет ни химических, ни других видов источников энергии. А т.к. заряды начали двигаться, следовательно, на них подействовала сила, имеющая электрическую природу. Т.е. при включении трансформатора во вторичной обмотке появилось электрическое поле ( – вихревое электрическое поле).

Необходимо только понять, что – вихревое электрическое поле могло создать только переменное магнитное поле. Если в первичной обмотке трансформатора будет течь постоянный ток, то магнитное поле будет, а электрическое поле во вторичной обмотке не возникнет. Трансформатор на постоянном токе не работает.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не в появлении индукционного тока, (ток появляется тогда, когда есть заряды и замкнутая цепь), а в возникновении вихревого электрического поля. Причём не только в проводнике, но и в окружающем пространстве.

Вихревое электрическое поле имеет совершенно другую структуру, чем поле созданное зарядами. Так как это поле не создаётся зарядами, то его силовые линии не могут начинаться и заканчиваться на зарядах.

У вихревого электрического поля силовые линии замкнуты.

Раз это поле перемещает заряды, следовательно, оно обладает силой. Введём вектор напряжённости вихревого электрического поля . Сила, с которой это поле действует на заряд . Но когда заряд движется в магнитном поле (тоже переменном) на него действует сила Лоренца . Эти силы должны быть равны между собой. Заряд стал двигаться под действием , а это поле возникло из-за наличия переменного магнитного поля . Чем больше , тем больше . И сила Лоренца F_Л, и вихревое электрическое поле являются порождением одного и того же поля .

Þ

Здесь – скорость движения заряда относительно магнитного поля . Поэтому можно записать , где – скорость движения магнитного поля относительно заряда.

Сравните: , если S = const, то .

Рассмотрим одно из свойств вихревого электрического поля.

В отличие от электростатического поля – электрическое поле индукции не имеет источников. Линии напряжённости этого поля замкнуты подобно линиям магнитного поля. Работа, совершённая при обходе всего контура, всегда отлична от нуля, а не равна нулю, т.к. поле вихревое.

Интеграл представляет собой работу, совершаемую индукционным электрическим полем при переносе единичного заряда вдоль замкнутого контура, т.е. интеграл равен э.д.с. индукции, возникающей в этом контуре. Так как , то можно записать:

Это выражение имеет смысл всегда, независимо от того, выполнен контур в виде линейного проводника, диэлектрика или речь идёт о мысленно выделенном контуре в вакууме.

Если контур сделан из диэлектрика, то каждый элемент этого контура поляризуется в соответствии с действующим в нём электрическим полем.

Если заряд движется в вакууме по контуру, то при каждом обходе контура его механическая энергия возрастает на величину , равную.

На использовании действия электрического поля индукции () в вакууме основан оригинальный ускоритель электронов – бетатрон.

Бетатрон

Идея создания бетатрона была опубликована норвежским физиком Р. Видероэ в 1928 году. К этой идее он пришёл еще в 1922 году. Изобрёл и построил первый бетатрон американский физик Д. Керст в 1940 году.

Бетатроном называется индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем.

Прибор состоит из сильного электромагнита с полюсными наконечниками А и тороидальной вакуумной ускорительной камеры С. Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой порядка сотни герц, создавая переменное магнитное поле.

Переменное магнитное поле выполняет две функции: во-первых, создаёт вихревое электрическое поле; во-вторых, удерживает электроны на орбите. Линии напряжённости электрического поля имеют вид окружности с центром, находящимся в зазоре на оси магнитов. Если индукция магнитного поля меняется по линейному закону и вихревое электрическое поле во всех точках орбиты, то за время порядка 1 мс электроны успевают сделать до 10⁶ оборотов и приобретают энергию до 20 МэВ. При этом масса электрона возрастает в 40 раз, а их скорость близка к скорости света. Но это не влияет на ускорение. Важно чтобы электрон всё время находился на одной орбите.

В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет ускоренные электроны со стационарной орбиты и выводит на специальную мишень, расположенную внутри ускорительной камеры. Попадая на мишень электроны, тормозятся, и испускается рентгеновское излучение.

Наибольшее использование бетатроны получили в дефектоскопии, в просвечивании непрозрачных деталей жёстким рентгеновским излучением, для нахождения скрытых дефектов.

Расчётами советских учёных Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчуком было показано, что максимальная энергия, до которой можно ускорить электроны в бетатроне, равна 500 МэВ. Это связано с тем, что если электрон движется с ускорением, следовательно, он должен излучать электромагнитное излучение, которое называется бетатронным или синхротронным излучением (это коротковолновое ультрафиолетовое излучение). На это излучение и тратится подводимая энергия.

Бетатроны, например, малогабаритные помещается в корпусе размером в чемодан. Они ускоряют электроны до энергии 5 – 10 МэВ. Большие бетатроны, например, на энергии до 100 МэВ имеют вес магнита порядка ста и более тонн.

Дата добавления: 2015-12-08