Явление электромагнитной индукции
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
Явление электромагнитной индукции
Явлением электромагнитной индукции называется возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Оно было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 году в серии опытов.
Опыты Фарадея.
Рис. 4.10.1. Рис. 4.10.2.
Опыт 1 (рис. 4.10.1). На немагнитный стержень С намотаны два длинных куска изолированного медного провода. Концы одного через ключ К присоединены к источнику тока И, образуя контур 1, а концы другого - к гальванометру Г, образуя контур 2. При замыкании ключа К стрелка гальванометра слегка отклонялась, затем быстро возвращалась в исходное положение.
Фарадей назвал ток, возникающий в цепи 2, индукционным током. Фарадей также заметил, что при замыкании и размыкании ключа направления индукционного тока в контуре 2 были противоположными. Вместе с тем Фарадея озадачила кратковременность данного явления. Также этот опыт не давал ответа на вопрос, что является причиной возникновения индукционного тока: изменение тока в контуре 1 или изменение магнитного поля, возникающего при замыкании ключа.
Опыт 2 (рис. 4.10.2). Катушка К из медной проволоки подключена к гальванометру Г. Магнит вдвигают внутрь катушки и выдвигают из нее, в результате в цепи возникает индукционный ток. Направление индукционного тока зависит от того, каким полюсом обращен магнит, а также удаляется он от катушки или приближается к ней.
Основной вывод, который сделал Фарадей в результате своих опытов, следующий: при изменении магнитного потока в контуре возникает ЭДС, которая и приводит к появлению индукционного тока. Величина ЭДС индукции определяется из закона электромагнитной индукции.
Закон электромагнитной индукции Фарадея. При любом изменении магнитного потока, сквозь поверхность, натянутую на некоторый контур, в контуре возникает ЭДС электромагнитной индукции, пропорциональная и противоположная по знаку скорости изменения магнитного потока.
В СИ коэффициент пропорциональности в законе электромагнитной индукции равен 1, в результате этот закон можно записать в виде:
, (4.10.1)
где - магнитный поток через контур, который определяется по формуле (4.9.12).
Наличие знака минус в законе электромагнитной индукции связано с направлением индукционного тока, которое можно найти с помощью правила Ленца (1833 г.).
Правило Ленца. Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, имеет такое направление, при котором созданный им поток магнитной индукции через площадку ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток.
Рассмотрим применение этого правила на примере прибора Ленца (рис. 4.10.3).
Рис. 4.10.3.
Лента и два алюминиевых кольца уравновешены на острие. Одно кольцо - сплошное, а другое с разрезом. Если вдвигать или выдвигать магнит в разрезанное кольцо, то кольцо двигаться не будет, т.к. в нем не возникает индукционного тока (хотя ЭДС индукции при этом возникает).
Индукционный ток будет возникать в сплошном кольце, если вдвигать в него магнит. Если полюса магнита расположены так, как изображено на рис. 4.10.3, то в соответствии с правилом Ленца при увеличении магнитного потока сквозь кольцо направление нормали n будет противоположным направлению линий магнитной индукции. Направление нормали однозначно задает направление индукционного тока. В результате чего кольцо будет отталкиваться. Если изменить полюса магнита, результат останется прежним. При выдвигании магнита кольцо притягивается, независимо от полюсов магнита.
С аналогичным свойством препятствовать всякому воздействию мы уже сталкивались ранее в механике. Это свойство называется инертностью. Т.о. правило Ленца говорит об инертности магнитного поля.
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока всегда имеют противоположные знаки. Правило Ленца имеет глубокий физический смысл - оно является следствием закона сохранения энергии в электромагнитных процессах. Энергия индуцированного электрического тока в контуре может идти на нагревание проводников, превращаться в механическую энергию движущихся проводников и т.д.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по различным причинам. Например, вследствие перемещения, вращения или деформации контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. В случае неподвижного контура магнитный поток может изменяться, если магнитное поле изменяется во времени.
Рассмотрим подробнее некоторые из этих причин.
. Природа ЭДС, возникающей в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле.
Рис. 4.10.4.
Рассмотрим прямой проводник, движущийся с постоянной скоростью v в однородном магнитном поле индукцией B (рис. 4.10.4). Положительные и отрицательные свободные заряды движутся вместе с проводником со скоростью v относительно магнитного поля. На эти заряды действует сила Лоренца FЛ, направленная вдоль проводника. Под действием силы Лоренца свободные заряды смещаются и накапливаются на концах проводника. Таким образом, на концах проводника возникает разность потенциалов, а внутри проводника создается электрическое поле напряженности E. Это поле действует на заряды элек