Основной закон электромагнитной индукции

В 1831 году английский физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Это явление заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного. Схема одного из первых опытов Фарадея изображена на рис. 14.1.

На немагнитный стержень М намотаны два куска изолированной медной провода, концы одного (1) из них подсоединены к батарее гальванических элементов e, концы другого к гальванометру G. При замыкании и размыкании ключа в первичной цепи стрелка гальванометра слегка отклонялась и затем быстро возвращалась в положение равновесия, что свидетельствовало о возникновении во вторичной цепи индукционного тока. Заменив ключ К, реостатом Фарадей заметил, что при изменении силы тока I₁ в первичной цепи, во вторичной по-прежнему наводится индукционный ток, направление которого зависит от того, уменьшается или увеличивается ток I₁.

Исследование индукционного тока в проводящих контурах различной формы и размеров показало (закон Фарадея), что э.д.с. электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_м через поверхность, ограниченную контуром. Исследование направления индукционного тока привело к формулировке следующего закона (правило Ленца): при всяком изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым проводящим контуром, в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Иллюстрацией правила Ленца служит опыт изображенный на рис.14.2.

При замыкании ключа проводящее кольцо, надетое на продолжение магнитного сердечника, перемещается вправо, при размыкании – влево.

Пусть используемое при вычислении e_инд направление обхода контура и направление нормали согласованы по правилу правого винта: из конца вектора n обход виден происходящим против часовой стрелки. Тогда основной закон электромагнитной индукции имеет следующий вид:

, (14.1.1)

т. е. электродвижущая сила электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем, наряду с обнаруженным им же вращением прямолинейного проводника с током вокруг полосового магнита, явилось основой, на которой в последующие годы были созданы электрические генераторы, двигатели и трансформаторы.

Под действием индукционной э.д.с. в проводнике возникает, так называемый, индукционный ток. Индукционные токи возникают не только в замкнутых проводниках, поперечные размеры которых малы по сравнению с их длиной, но и в массивных проводниках. В последнем случае замкнутые цепи индукционных токов образуется в толще самого проводника.

Индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при их движении в магнитном поле или под влиянием переменного магнитного поля, называются вихревыми токами или токами Фуко. Если электрическое сопротивление цепи вихревого тока достаточно мало, то он может достигать большой силы и вызывать сильное нагревание проводника. Вихревые токи используют для плавки металлов в индукционных печах. В трансформаторах вихревые токи приводят к значительным потерям электрической энергии. Для уменьшения потерь увеличивают электрическое сопротивление в цепи вихревых токов, изготавливая сердечники трансформаторов наборными из тонких железных пластин, электрически изолированных друг от друга непроводящим лаком или окалиной.