Магнитный поток. Закон Фарадея

Электромагнитная индукция

Лекция № 10

Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. ЭДС в движущемся проводнике. Правило Ленца. Трансформатор. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Переменный ток. Уравнения Максвелла. Шкала электромагнитных волн. Их классификация.

Открытие закон электромагнитной индукции позволило совершить колоссальный рывок в развитии цивилизации. За этим открытием последовало создание трансформаторов, электродвигателей и генераторов переменного тока. Следующим шагом стало создание беспроводной передачи информации, теле и радио связи. Нам трудно представить состояние нынешнего мира без этих достижений.

Трудно представить, как бы выглядела наша цивилизация без открытия Фарадеем его гениального закона. Ведь именно благодаря ему физики создали генератор переменного тока, электродвигатель и трансформатор. Это позволило опутать проводами всю планету и обеспечит почти все население планеты электричеством. Более того, люди научились повышать и понижать напряжение, для того, чтобы не оставлять большую часть электроэнергии в проводах. При этом потребитель использует в своих целях достаточно безопасное невысокое напряжение. Электродвигатели позволили обеспечить передвижение на городском (трамваи, троллейбусы, метро) и железнодорожном (электрички и поезда дальнего следования) транспорте. Электродвигатель – основной элемент большого количества бытовых приборов (пылесос, фен, электробритва, вентилятор, в том силе и в компьютере и многое другое).

В двадцатых годах девятнадцатого века было установлено, как уже отмечалось, что электрический ток создает магнитное поле, а со стороны электромагнитного поля на движущиеся заряды действует сила. Вполне логичным стал вопрос о возможности с помощью магнитного поля получить электрический ток. Учеными было сделано много попыток с помощью магнитного поля возбудить ток в контуре. Эта задача была решена Майклом Фарадеем [1], открывшим 1831 году явление электромагнитной индукции. Связь магнитного поля с током открыла огромные перспективы.

С помощью установки, изображенной на рис. 10.1, Фарадей провел ряд экспериментов для получения электрического тока с помощью магнитного поля.

Катушка Х соединена с источником постоянного тока. Ток в катушке создает магнитное поле, которое усиливается железным сердечником. Фарадей предположил, что при достаточной мощности батареи поле, создаваемое в катушке Х, будет способно возбудить ток в катушке Y. Но опыты с постоянным током результатов не дали.

К открытию привела наблюдательность Фарадея, заметившего, что стрелка гальванометра катушки Y сильно отклоняется лишь в момент замыкания и размыкания цепи. Причем стрелка отклоняется в разные стороны.

При быстром внесении или выводе магнита из катушки, подключенной к гальванометру, также происходит отклонение стрелки (рис. 10.1). Причем стрелка отклоняется в разных направлениях. Более того, если магнит неподвижен, а катушку приближать или удалять от него, то в витке потечет ток. То есть, важным является именно относительное движение катушки и магнита.

а)

б)

Рис. 10.2. Опыты Фарадея: первый (а) и последующие (б).

Фарадей сделал вывод, что стационарное магнитное поле тока не создает, а при изменении магнитного поля появляется индукционный ток. Его возникновение указывает на наличие в цепи электродвижущей силы электромагнитной индукции или ЭДС индукции. Явление возникновения электрического тока в проводнике при изменении магнитного потока в нем носит название электромагнитной индукции.

Направление индукционного тока определяется с помощью правила Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Рис.10.3. Правило Ленца.

Таким образом, результатом исследований Фарадея стал закон электромагнитной индукции: ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

(10.1.1)

В системе СИ, возникающая при изменении магнитного потока, электродвижущая сила имеет размерность:

[ e_i ] = .

Знак минус в этом выражении отражает правило Ленца: при возрастании магнитного потока (>0), ЭДС в контуре убывает (<0) и, наоборот, при убывании магнитного потока (<0) >0.

Как видно из формулы (10.1.1) ЭДС индукции пропорциональна изменению не просто магнитного поля, а изменению магнитного потока, который описывается выражением:

.

Магнитный поток измеряется в единицах вебер: 1Вб=1Тл×м²=.

По смыслу магнитный поток можно изменять тремя способами: либо изменять магнитную индукцию, либо площадь, которую пронизывает магнитный поток, либо одновременно изменять и площадь, и магнитное поле.

Когда магнитное поле постоянно магнитный поток описывается выражением:

,

где θ – угол между нормалью к площадке, через которую проходит магнитный поток и его направлением.

Примером служит вращение витка с током в магнитном поле, причем величина магнитного поля пропорциональна току.

Во втором случае меняется магнитное поле пропорционально изменению тока в витке с током. Изменение магнитного потока приводит к возникновению в витке вихревого электрического поля. Это происходит, например, при прохождении переменного электрического тока по виткам трансформатора.

Закон Фарадея универсален: значение индукционного тока не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения.

Дата добавления: 2014-01-07