Природа сторонних сил в явлении электромагнитной индукции

Вихревое электрическое поле.

Принцип работы магнетометра.

Рассмотрим небольшой плоский контур определенной формы, например, в форме окружности или квадрата, находящийся в постоянном магнитном поле (см. рисунок).

При повороте контура вокруг оси по нему протекает заряд, так как возникает индукционный ток:

,

где – сопротивление контура, а.

Учитывая, что, находим:.

При повороте на угол через контур протечет заряд, так как,. – площадь контура. Следовательно, измерив, заряд, можно найти индукцию магнитного поля в данном месте.

.

Рассмотрим магнитопровод круглого сечения с зазором (см. рисунок). К обмотке приложено переменное напряжение. В зазоре возникает переменное магнитное поле. Если в зазор поместить проводящий контур, например, в форме кольца, то в нём возникнет переменный индукционный ток согласно закону Фарадея:

где, – сопротивление контура.

Контур неподвижен. Поэтому на носители тока в контуре магнитная сила не действует. В данном случае роль сторонних сил выполняет вихревое электрическое поле, силовые линии которого являются замкнутыми:

Изменяющееся во времени магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости изменения индукции магнитного поля и в каждой точке пространства.

Например, для точек пространства вне сечения магнитопровода, учитывая осевую симметрию электрического поля, находим:

,

где - радиус сечения магнитопровода.

Откуда получаем:

.

Вектор и направлен, как показано на рисунке, если.

Для вихревого электрического поля циркуляция не равна нулю:

где, магнитный поток через поверхность, натянутую на контур l.

Вихревое электрическое поле применяется для ускорения электронов. Ускоритель электронов называют бетатроном (см. учебное пособие: И.Е. Иродов «Электромагнетизм», стр. 247 и 275).

Применяется для индукционного нагрева (токи Фуко), для получения высокотемпературной плазмы («токамак») и в других технологических процессах.

Мы отмечали, что магнитная сила работы не совершает. С другой стороны, рассматривая магнитные силы как сторонние, мы объясняли возникновение э.д.с. и индукционного тока при движении контура в постоянном магнитном поле. Попробуем прояснить это противоречие. Рассмотрим прямоугольный контур с подвижной стороной, находящийся в однородном магнитном поле (см. рисунок).

Приведем в движение сторону длиной со скоростью. Согласно закону Фарадея в контуре возникнет индукционный ток: где, – сопротивление контура, а направление тока указано на рисунке.

Рассмотрим детальнее процесс возникновения индукционного тока. Очевидно, сторонние силы возникают на подвижной стороне. Свободные заряды проводника увлекаются и движутся со скоростью и на них будет действовать магнитная сила, направленная к точке, если, и точке, если. Это сила формально выполняет роль сторонних сил на участке:.

ЭДС в контуре равна:

.

В контуре выделяется тепловая мощность:

.

Откуда берется эта энергия, если магнитная сила не совершает работу?

Теплота выделяется за счёт работы механической силы, которую необходимо приложить к проводнику, направленной против силы Ампера (см. рисунок):

.

.

Таким образом, роль сторонних сил реально выполняет механическая сила, а магнитная сила (магнитное поле) выполняет роль передаточного механизма. Магнитное поле способствует преобразованию механической энергии в энергию электрического тока. Энергия постоянного магнитного поля при этом не изменяется.

Лекция 17.

Дата добавления: 2014-01-06