Закон Фарадой и его вывод из закона сохранения энергии

Обобщая результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к количественному закону электромагнитной индукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток, который указывает на нали­чие в цепи электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой электромагнитной индукции. Значение индукционного то­ка, а следовательно и э.д.с. электромагнитной индукции ε_i, определяется только скоростью изменения магнитного потока, .

Теперь необходимо выяснить знак ε_i. Было показано, что знак магнитного потока зависит от выбора положительной нормали к вектору. В свою очередь, положительное направление нормали связано с током правилом правого винта. Следовательно, выбирая определенное направление нормали, мы определяем как знак потока, так и направление тока и э.д.с. в контуре. Пользуясь этими представлениями и выводами, можно соответственно прийти к формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина изменения потока магнитной индукции, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая и контуре э.д.с. равна

. (3.26)

Знак минус показывает, что увеличение потока вызывает >0 вызывает ε₁<0, т.е. поле индукционного тока направлено навстречу потоку, уменьшение потока <0 вызывает, т.е. направление потока и поля индукционного тока совпадают. Знак минус в формуле (3.26) является математическим выражением правила Ленца - общего правила для нахождения направления индукционного тока, выведенного в 1833г.

II р а в и л о Л е н ц а: индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению маг­нитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

Закон Фарадея можем быть непосредственно получен из закона сохранения энергии, как это впервые сделал Г.Гельмгольц. Рассмотрим проводник с током І, который помещен в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости контура, и может свободно перемешаться (см. рис 47). Под действием силы Ампера F, направление которой показано на рисунке, проводник перемешается на отрезок dx. Таким образом, сила Ампера производит работу dА=IdФ, где dФ - пересеченный проводником магнитный поток.

Если полное сопротивление контура равно R, то, согласно закону сохранения энергии, работа источника тока за время dt (ε I dt) будет складываться из работы на джоулеву теплоту (І² R dt) и работы но перемещению проводника в магнитном поле (I dФ):

,

откуда

, (3.27)

где , есть не что иное, как з а к о н Ф а р а д е я

3 а к о н Фарадея можно сформулировать еще таким образом: э.д.с. ε₁ электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна знаку скорости изменения магнитною потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Этот закон является универсальным, э.д.с ε₁, не зависит от спо­соба изменения магнитного потока

Э.д.с. электромагнитной индукции выражается в вольтах. Действительно, учитывая, что единицей магнитного потока является в е б е р (Вб), получим

.

Какова природа э.д с. электромагнитной индукции?

Согласно закону Фарадой, возникновение э.д.с. электромагнитной индук­ции возможно в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае ею нельзя объяснить возникновение э.д.с. индукции. Максвелл для объяснения э.д.с. индукции в неподвижных проводниках предпо­ложил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем про­странстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения ин­дукционного тока в проводнике Циркуляция вектора этого поля по любому неподвижному контуру L проводника представляет собой э.д.с. электромагнит­ной индукции:

. (3.28)

Дата добавления: 2014-01-07