Явище електромагнітної індукції. Правило Ленца

Явище електромагнітної індукції було відкрито видатним англійським фізиком Майклом Фарадеєм в 1831 р. Воно полягає у виникненні електричного струму в замкнутому контурі, при зміні в часі магнітного потоку, що пронизує контур.

Магнітним потоком Φ через площу S контуру називають величину

Φ = B·S·cosα , (3.63)

де B- модуль вектора магнітної індукції,α - кут між вектором і нормаллю до площини контура (рис. 3.53).

Рисунок 3.53.

Магнітний потік через замкнутий контур. Напрям нормалі n і вибраний позитивний напрям обходу контура пов'язані правилом правого гвинта.

Визначення магнітного потоку неважко узагальнити на випадок неоднорідного магнітного поля і неплоского контуру. Одиниця магнітного потоку в СІ називається вебером (Вб). Магнітний потік, рівний 1 Вб, створюється магнітним полем з індукцією 1 Тл, що пронизує по напряму нормалі плоский контур площею 1 м² (1 Вб = 1 Тл · 1 м²).

Фарадей експериментально встановив, що при зміні магнітного потоку в контурі, виникає ЕРС індукції ε_інд. Величина ЕРС дорівнює швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром, узятою зі знаком мінус:

(3.64)

Дослід показує, що індукційний струм, який збуджується в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, завжди спрямований так, що створюване ним магнітне поле перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає індукційний струм. Це твердження називається правилом Ленца.

Рисунок 3.54 ілюструє правило Ленца на прикладі нерухомого контуру, який знаходиться в магнітному полі, модуль індукції якої збільшується в часі.

Рисунок 3.54.

Правило Ленца відображує той експериментальний факт, що і ε_інд завжди мають протилежні знаки (знак "мінус" у формулі Фарадея). Правило Ленца має глибокий фізичний зміст - воно виражає закон збереження енергії.

Зміна магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, може відбуватися з двох причин.

1. Магнітний потік змінюється внаслідок переміщення контуру або його частин в постійному в часі магнітному полі. Це випадок, коли провідники, а разом з ними і вільні носії заряду, рухаються в магнітному полі. Виникнення ЕРС індукції пояснюється дією сили Лоренца на вільні заряди в рухомих провідниках. Сила Лоренца грає в цьому випадку роль сторонньої сили.

Розглянемо в якості прикладу виникнення ЕРС індукції в прямокутному контурі, поміщеному в однорідне магнітне поле індукцією B, вектор індукції перпендикулярний площині контуру. Нехай одна із сторін контуру завдовжки l ковзає із швидкістю v по двох інших сторонах (рис. 3.55).

Рисунок 3.55.

На вільні заряди на цій ділянці контуру діє сила Лоренца. Одна із складових цієї сили, пов'язана з переносною швидкістю зарядів, спрямована уздовж провідника. Ця складова вказана на рисунку 3.55. Вона грає роль сторонньої сили. Її модуль рівний

F_Л = qvB.

Робота сили F_л на шляху l A = F_л·l = qvBl.