Явление электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного поля, пронизывающего этот контур. Возникающий в контуре ток называют индукционным.

Впервые явление электромагнитной индукции наблюдал в 1831 г. великий английский физик М. Фарадей в простом опыте.

Если в катушку, соединенную с гальванометром, вдвигать (или выдвигать) постоянный магнит (катушку с током), то стрелка гальванометра будет отклоняться. Значит, в катушке индуцируется электрический ток. Причем, ток будет тем больше, чем больше относительная скорость движения источника магнитного поля.

Магнитный поток.

Для описания явления электромагнитной индукции введена физическая величина.

Магнитный поток (поток вектора индукции магнитного поля) через плоскую поверхность – произведение модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и на косинус угла между вектором магнитной индукции и вектором нормали (перпендикуляра) к поверхности.

; .

На рисунках магнитный поток пропорционален числу силовых линий магнитного поля, пронизывающих поверхность.

Используя введённые понятия, явление электромагнитной индукции определяют так:

Электромагнитная индукция – явление возникновения индукционного тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Правило Ленца.

Направление индукционного тока определяет правило, сформулированное в первой половине XIX века русским физиком Э. Ленцем.

Правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором созданное им индукционное магнитное поле компенсирует то изменение магнитного потока, которое порождает этот индукционный ток.

Принцип компенсации в правиле Ленца подтверждается при наблюдении взаимодействия замкнутого алюминиевого кольца с постоянным магнитом. Кольцо всегда движется в ту же сторону, что и магнит. На рисунке справа показан момент приближения магнита, от которого кольцо отталкивается.

На рисунке слева показан пример применения правила Ленца. Здесь индукционное поле (пунктирные линии), направленное вниз, компенсирует нарастание внешнего поля, направленного вверх. Индукционное поле связано с направлением индукционного тока через правило буравчика. Правило Ленца можно формулировать через направления индукционного поля и перпендикулярной составляющей к плоскости контура внешнего поля.

Если возрастает (), то .

Если убывает (), то .

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно содержит в себе закон сохранения энергии и аналогично закону сохранения импульса в механике.

Идеальный контур – замкнутый контур с нулевым активным сопротивлением (R=0).

Правило Ленца имеет важное следствие для идеального контура: магнитный поток в идеальном контуре изменить нельзя.

или .

Поэтому правило Ленца иногда называют законом сохранения магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции Фарадея.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока. Его величина рассчитывается через закон Ома и, экспериментально установленным в первой половине XIX века М. Фарадеем, закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции, возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур.

.

Минус в формуле закона показывает, что ЭДС индукции препятствует изменениям, происходящим в контуре (см. правило Ленца). В решении многих задач школьного курса физики знак ЭДС индукции не нужен. В таких задачах закон Фарадея записывают в модульной форме:

.

Если контур состоит из нескольких последовательно соединенных витков (катушка), которые пронизываются одним и тем же магнитным потоком, то ЭДС индукции в контуре равна:

или .

В высшей математике ЭДС индукции находится как предел, к которому стремится скорость изменения магнитного потока за бесконечно малый интервал времени, т. е. как производная магнитного потока по времени:

.

Используя ЭДС индукции, явление электромагнитной индукции определяют так:

Электромагнитная индукция – явление возникновения ЭДС индукции в контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Возникновение ЭДС индукции может иметь две причины.

ЭДС индукции в движущихся проводниках.

Рассмотрим случай возникновения ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура скользит по двум другим сторонам. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках (сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы).

.

Работа силы Лоренца на участке l:

.

По определению ЭДС:

.

Где α – угол между векторами скорости и магнитной индукции, l – проекция длины проводника на направление, перпендикулярное вектору скорости.

Значение ЭДС индукции можно получить и из закона Фарадея:

.

Вихревое электрическое поле.

Если ЭДС индукции порождается меняющимся во времени магнитным полем, то смещение электронов неподвижного проводника нельзя объяснить действием силы Лоренца. На хаотично движущиеся электроны способно направленно действовать только электрическое поле. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 г.

Согласно идеи Максвелла: меняющееся во времени магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, направление вектора напряжённости которого образует с направлением вектора магнитной индукции левый винт, если магнитное поле увеличивается, или правый винт, если магнитное поле уменьшается.

Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается законом Фарадея и правилом Ленца.

Сравнительная характеристика полей.

	Электростатическое.	Магнитное.	Вихревое электрическое.
Источник поля.	Электрический заряд.	Движущийся электрический заряд (электрический ток).	Меняющееся во времени магнитное поле.
Главное свойство.	Действие на электрический заряд (электрическая сила).	Действие на движущийся электрический заряд (сила Лоренца) или на электрический ток (сила Ампера).	Действие на электрический заряд (электрическая сила).
Индикатор поля.	Электрическая гильза, султанчик, электроскоп.	Металлические опилки, рамка с током, магнитная стрелка.	Индукционные токи.
Силовая характеристика.	Вектор напряжённости .	Вектор магнитной индукции .	Вектор напряжённости .
Силовые линии.	Начинаются на положительных зарядах, оканчиваются на отрицательных зарядах.	Замкнутые.
Энергетическая характеристика.	Потенциал . Потенциальное поле – работа силы не зависит от вида траектории и на замкнутой линии равна нулю.	Вихревое поле – работа силы зависит от вида траектории и на замкнутой линии не равна нулю.
Вещество и поле.

Дата добавления: 2015-11-04