Вихревые электрические поля и токи

Что же заставляет свободные заряды (электроны) проводников замкнутого контура двигаться направленно при изменении магнитного потока Ф, пронизывающего этот контур? Поскольку изменения Ф можно достичь, изменяя либо ориентацию контура в однородном магнитном поле, либо напряжённость магнитного поля, то рассмотрим оба случая.

а) Индукционный ток в движущемся проводнике.

На свободные заряды движущегося в однородном магнитном поле проводника действует сила Лоренца , направление которой определяют по правилу левой руки, а модуль равен . Под действием отрицательные заряды смещаются к верхнему концу проводника, а положительные – к нижнему. При этом между концами проводника возникает разность потенциалов, равная ЭДС индукции:

.

Таким образом, в случае перемещения контура в магнитном поле, природа возникновения индукционного тока очевидна – свободные заряды перемещаются направленно под действием силы Лоренца.

б) Индукционный ток в неподвижном проводнике.

В случае же неподвижного проводника, находящегося в изменяющемся магнитном поле, возникновение ЭДС индукции невозможно объяснить силой Лоренца, так как при имеем = 0 (усреднённая сила Лоренца, из-за теплового движения свободных зарядов, также равна нулю).

Для объяснения природы ЭДС индукции в этом случае английский физик Джеймс Максвелл в 1860 г. предположил, что: изменяющееся магнитное поле создаёт изменяющееся электрическое поле, силовые линии которого охватывают магнитное поле. Причём направление этого вихревого элек трического поля (его силовые линии замкнуты, в отличие от статического электрического поля) определяют по правилу Ленца для индукционного тока. Именно это вихревое поле и вызывает направленное движение свободных зарядов в неподвижном проводнике, порождая на его концах разность потенциалов, называемую, в этом случае, ЭДС индукции e_i(t).

Если проводящий предмет разместить в изменяющемся магнитном поле, то оно, согласно теории Максвелла, породит вокруг себя вихревое электрическое поле, которое подействует кулоновской силой на свободные заряженные частицы тела и приведёт их в направленное движение, т.е. в теле возникнет электрический ток. Такие токи называют вихревыми токами или токами Фуко.

В электротехнике и радиотехнике - это паразитные токи, приводящие к тепловым потерям. Способ борьбы с ними – набор магнитопроводов для трансформаторов, эл. двигателей и т.п. из тонких изолированных пластин или мелких изолированных кристаллов (в радиотехнике). В медицине же токи Фуко используют для прогрева тканей пациентов (СВЧ – процедуры, СВЧ печи), в металлургии – для реализации выплавки сверхчистых металлов из соответствующих руд.