Явление электромагнитной индукции

В начале 19-го века учёным М.Фарадеем при проведении опытов с проводящими материалами был открыт интересный феномен, который заключался в следующем. При размещении в магнитном поле проводящей рамки наблюдалось протекание тока в ней, величина которого возрастала по мере увеличения скорости её перемещения. Этот эффект был назван явлением электромагнитной индукции, а создаваемое проводником собственное поле – индуцированным.

Эффект индукции

Таким образом, явление электромагнитной индукции наблюдается всегда, когда замкнутый на нагрузку проводник перемещается во внешнем магнитном поле. Аналогичное явление можно было наблюдать, если оставить рамку неподвижной, а изменять величину внешнего магнитного поля электромагнитной индукции (подносить постоянный магнит к рамке или отодвигать его).

Обоснование явления

В качестве теоретического обоснования того, в чем состоит явление электромагнитной индукции, открывшим его учёным М.Фарадеем была предложена следующая трактовка:

• При размещении рамки в поле магнита её начинают пронизывать линии, перпендикулярные её плоскости или направленные под определённым углом к ней;
• При её вращении число этих линий или напряжённость магнитного поля (его поток) изменяется, что приводит к появлению ЭДС на концах проводника;
• Величина этой силы прямо пропорциональна скорости перемещения проводящей рамки, а знак определяется направлением её вращения.

Изменять напряженность поля допускается и при неподвижной рамке, но для получения того же эффекта в этом случае придётся перемещать около неё сам магнит.

Направление индукционного тока

Для количественного представления открытого явления и оценке действующей магнитной силы учёным было введено понятие потока через заданную поверхность с общей площадью S. Оно вычисляется следующим образом:

F=B S cos а.

Для оценки величины индукции «В» введена специальная единица измерения, имеющая в системе СИ наименование Тесла (по фамилии знаменитого естествоиспытателя). На основании всех приведённых ранее выкладок индукция определяется таким образом:

B=F/ S cos а.

Сравните её с приведённой выше формулой.

Направление действия магнитного поля

Согласно проверенному на практике правилу (его называют правилом буравчика), определить направление действия вектора поля можно очень просто, если воспользоваться следующим простым пояснением.

Если вворачивать мнимый буравчик в сторону протекания тока в проводе, то вращающий импульс укажет искомое направление (эту закономерность называют иногда правилом «правой руки»).

Для данного эффекта справедливо и обратное утверждение: если правой рукой вращать буравчик в сторону действия магнитного потока, то вектор его вворачивания укажет направление потока электронов, который инициируется этим полем.

Правило «буравчика»

Ещё одна трактовка этой закономерности касается определения вектора силовых линий индуцированного током поля в соленоиде (обычной катушке с намотанной на сердечнике обмоткой). Это правило, подобно предыдущим, может быть представлено следующим образом.

Если сердечник обхватывается правой кистью так, чтобы пальцы ладони были направлены в сторону перемещения потока электронов, то большой палец укажет на вектор действия поля внутри катушки.

Явление самоиндукции

Общие положения

Помимо того, что в замкнутой рамке или проводнике при изменении магнитного потока появляется ЭДС, учёными был обнаружен ещё один эффект. Последний проявляется в том, что протекающий в рамке (витке) ток порождает собственное э/м поле, действующее в направлении, противоположном порождающему его полевому образованию. Это явление впервые было открыто российским учёным Э. X. Ленцем (1804-1865), предложившим ему следующую трактовку:

• Под действием поля магнита в витке провода возникает так называемый «наведённый» ток;
• Сила индукционного тока и его направление определяются согласно рассмотренным выше правилам;
• Создаваемое током собственное магнитное поле, линии которого действуют через очерченную контуром или витком поверхность, всегда препятствует изменению породившего его поля.

Явление самоиндукции

Простыми словами открытие Ленца описывается следующим образом:

• При перемещении рамки определённой длины в магнитном поле с фиксированной индукцией на её провод воздействует ЭДС, которая разделяет подвижные электрические заряды;
• Вследствие этого в рамочном проводнике образуется рассчитываемая по закону Максвелла электродвижущая сила индукционного тока;
• Протекающий под её воздействием ток вызывает появление ещё одной ЭДС, направленной в противоположном направлении. При этом она препятствует изменению вызвавшего её тока.

Описанному выше явлению и было присвоено название самоиндукции, в простейшем выражении состоящей в появлении дополнительного поля.

Основные величины и наименования измеряемых единиц

Наведённый в витках катушки магнитный поток пронизывает её строго перпендикулярно и имеет величину, пропорциональную силе тока в ней. Величину, выражаемую как отношение потока поля к силе тока в исследуемом контуре, принято называть его индуктивностью.

За её единицу в классической системе СИ договорились принимать 1 генри. Иными словами, 1 Гн представляет собой индуктивность такого витка или обмотки, в которых при изменении тока на 1 Ампер за 1 секунду наводится ЭДС самоиндукции, по своей величине равная одному Вольту.

В последующие за открытиями М. Максвелла и Х. Ленца годы учёными предпринималось множество попыток объяснения всей совокупности обнаруженных э\м явлений и получения единой теории поля.

Общая теория электромагнитного поля

Фундаментальные основания

По итогам проведённых исследований Дж. Максвеллом было сформулировано следующее основополагающее предположение, позволяющее разобраться с тем, в чем заключается явление электромагнитной индукции:

• Изменение во времени параметров магнитного поля порождает соответствующий этим переменам электрический полевой эффект;
• Такое образование имеет структуру, отличную от электростатического поля, создаваемого неподвижными зарядами;
• Линии напряженности порождённого током электрического образования (подобно тем же характеристикам для всех известных полей) являются замкнутыми;

• Оно воздействует на свободные электрические заряды подобно электростатическому полю, а сила индукционного тока в нём зависит от показателя напряжённости (E).

Работа, производимая силами в вихревом поле

В отличие от всех других электрических полевых образований, работа такого поля на всём протяжении замкнутого контура из проводников не равна нулю. Она имеет вполне конкретное положительное значение, вследствие чего его принято относить к потенциальным полевым структурам.

Величина такой работы в простейшем случае может быть представлена как результат действия наведённой в замкнутом контуре ЭДС.

В заключение несколько слов о значимости рассмотренных выше открытий, позволяющих понять, что такое электромагнитная индукция. Рассмотренные феномены и явления широко применяются в практической электротехнике и позволяют изготавливать такие полезные для любого человека приборы, какими являются электродвигатели, генераторы и трансформаторы. Этот перечень может быть дополнен большим количеством наименований агрегатов и приборов, работающих за счёт рассмотренных ранее эффектов.

Видео