Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Електромагнітна індукція

Електромагнітна індукція

ФІЗИКА

Частина 3 ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ

Розділ 9 МАГНЕТИЗМ. МАГНІТНЕ ПОЛЕ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

9.8. Електромагнітна індукція

Якщо електричні й магнітні явища взаємопов’язані й навколо провідника зі струмом виникає магнітне поле, то можливе і зворотне явище – виникнення електричного струму в замкненому провіднику під дією магнітного поля. Саме такі міркування навели англійського фізика М. Фарадея на думку про необхідність дослідження електричної дії магнітного поля. У 1831 р. він експериментально встановив, що незмінні магнітні

поля не спричинюють ніякої електричної дії, а змінні магнітні поля викликають електрорушійну силу в провідниках, що розміщуються в цих полях. Кожного разу, коли магнітне поле змінюється, в провіднику, вміщеному в це поле, виникає електрорушійна сила (ЕРС), яку називають електрорушійною силою індукції. Якщо кінці провідника з’єднано так, що утворюється замкнене коло, то в ньому виникає струм, який називають індукційним. Саме явище виникнення струму в замкненому контурі під впливом змінного магнітного поля називають явищем електромагнітної індукції.

Якщо взяти провідник у формі котушки, до кінців якої

приєднано гальванометр (рис. 9.13), і переміщувати вздовж її осі магніт, то в такому колі виникає індукційний струм, який виявляється за відхиленням стрілки гальванометра. Ефект зберігається, якщо переміщувати котушку відносно нерухомого магніту. Можна замінити магнітне поле магніту магнітним полем іншої котушки А (рис. 9.14). Щоразу, коли вмикаємо і вимикаємо струм у котушці А, в котушці В, розміщеній поблизу, виникає ЕРС індукції, яка спричинятиме струм у ній. Струм можна виявити за відхиленням стрілки гальванометра, який ввімкнули в коло котушки В. Електрорушійна сила індукції виникатиме в колі котушки В і тоді, коли в котушці А проходитиме змінний струм. Перед тим як аналізувати добуті експериментальні дані, введемо поняття про магнітний потік. Потоком вектора магнітної індукції, або магнітним потоком, dФ через елементарну поверхню ds називають скалярну величину, що дорівнює добутку проекції Вn вектора індукції на нормаль n до елемента поверхні на площу цього елемента, тобто

Де α – кут між напрямами нормалі і вектора магнітної індукції .

Рис. 9.13 Рис 9.14

Повний потік через поверхню s знайдемо зі співвідношення

У випадку однорідного магнітного поля і плоскої поверхні s, перпендикулярної до , потік магнітної індукції

Одиницею потоку магнітної індукції в СІ є вебер (Вб). Вебер дорівнює потоку через 1 м2 поверхні, яка розташована перпендикулярно до лінії магнітної індукції в однорідному магнітному полі з індукцією в 1 Тл.

Умовимось лінії магнітної індукції проводити так, щоб кількість ліній, що пронизують одиничну площадку, розміщену перпендикулярно до , чисельно дорівнювала вектору магнітної індукції B у даній точці поля. Тоді магнітний потік через довільну площину дорівнюватиме кількості ліній магнітної індукції, що її пронизують.

Повертаючись до аналізу дослідів М. Фарадея, неважко помітити: характерною особливістю є те, що в кожному з них відбувається зміна магнітного потоку через контур, у якому спостерігається виникнення індукційного струму. Згідно із законом Ома електричний струм у замкненому колі може виникнути лише тоді, коли в ньому виникає електрорушійна сила. Отже, необхідною умовою виникнення ЕРС індукції є зміна магнітного потоку, який проходить через контур (у цьому випадку котушка з дроту).

Напрям ЕРС індукції та індукційного струму завжди пов’язаний з характером зміни магнітного поля. Якщо при збільшенні магнітного потоку, що проходить через контур (котушку), виникає струм одного напряму, то при зменшенні магнітного потоку напрям ЕРС індукції та індукційного струму зміниться на протилежний. Е. X. Ленц установив таке правило для визначення напряму індукційного струму: напрям індукційного струму завжди такий, що його магнітне поле протидіє зміні магнітного потоку, який спричинює цей струм. Це означає, що при введенні в замкнену на гальванометр котушку північного полюса штабового магніту струм, який виникає в ній, матиме такий напрям, що у верхній частині котушки виникне північний полюс, який перешкоджатиме наближенню магніту. Навпаки, при віддаленні магніту від котушки напрям індукційного струму буде такий, що у верхній частині котушки виникне південний полюс, який перешкоджатиме віддаленню магніту.

Для визначення напряму індукційного струму в тому випадку, коли провідник рухається у магнітному полі, використовують правило, відоме під назвою правила правої руки: якщо розмістити праву руку так, щоб у долоню впадали силові лінії магнітного поля, а напрям відігнутого великого пальця збігався з напрямом руху провідника, то решта витягнутих пальців вкаже напрям індукційного струму.

Струм у провіднику, тобто напрямлений рух електричних зарядів, є ознакою наявності в ньому електричного поля. Не треба думати, що провідник відіграє якусь роль у виникненні індукованого електричного поля. І провідник, і гальванометр призначені тільки для виявлення електричного поля. Якщо замість провідника взяти контур з діелектрика, то індуковане електричне поле спричинює поляризацію цього діелектрика. Електричне поле індукуватиметься змінним магнітним полем незалежно від наявності провідника електричного поля (контуру). Наприклад, при розсуненні один від одного магнітних полюсів у просторі між ними індукується електричне поле. Проте електричні поля, індуковані змінами магнітного поля, мають некулонівський характер. Силові лінії таких полів замкнені, вони концентрично охоплюють змінний магнітний потік. Індуковане електричне поле можна виявити дією його на електричні заряди, що знаходяться поблизу. Поле електричних, але в загальному випадку вже некулонівських сил, спричинене змінним магнітним полем, називають електромагнітним. В електромагнітному полі електричні силові лінії та пов’язані з ними магнітні лінії можуть стати настільки незалежними від зарядів, що здатні переміщуватись у просторі. Електромагнітне поле – це різновид матерії, що діалектично поєднує властивості електричних і магнітних полів. Проте його характеризують більш складні заховані рухи, що виявляються у виникненні сил, значення і напрям яких визначається швидкістю зміни магнітного потоку.

Існування електромагнітного поля вперше 1831 р. виявив дослідами М. Фарадей. Згодом М. Фарадей і Е. X. Ленц відкрили закони електромагнітної індукції. Не можна переоцінити значення відкриття явища електромагнітної індукції й тепер. Усі сучасні потужні генератори електроенергії грунтуються на цьому явищі.