В недавней статье о трансформаторах кратко упоминалось, что принцип их работы как преобразователя переменного напряжения заключается в явлении электромагнитной индукции, которое используется также и в других электротехнических приборах. Наиболее коротко его можно описать как возникновение тока в проводнике при изменении магнитного потока.
Об истории открытия этого явления вы можете прочитать тут. А в этой заметке мы постараемся разобраться, как проявляются электромагнитная индукция и в чем заключается закон электромагнитной индукции.
Как многие знают со школы, первооткрывателем этого явления считается английский ученый-экспериментатор М. Фарадей; основной же вклад в обобщение закона электромагнитной индукции внес Дж. Максвелл. Основой этого закона являлись, конечно же, многочисленные опытные данные.
В чем же заключались опыты Фарадея? Для того, чтобы наблюдать явление ЭМ индукции, достаточно иметь какой-либо источник магнитного поля и проводящий контур, замкнутый на гальванометр, который будет фиксировать наличие тока в этом контуре.
Начнем с самого известного примера этого опыта: имеется катушка, замкнутая на прибор, фиксирующий ток в контуре. Если внутрь катушки внести постоянный магнит, то во время его движения прибор будет показывать ненулевые значения. Затем, почти сразу, после остановки внесенного магнита показания прибора опять опустятся до нуля. Если же начать убирать магнит из катушки, то прибор вновь покажет протекание тока в контуре, но в значения будут противоположными по знаку. Обратим внимание на то, что, пока магнит покоится относительно катушки, тока не возникает.
Возьмем теперь в качестве источника магнитного поля другую катушку с током — назовем ее электромагнитом или первичной катушкой. Катушку, которая замкнута на гальванометр, и в которой мы наблюдаем явление ЭМ индукции, будем называть вторичной. Подключим электромагнит к источнику постоянного тока. Если скорость электромагнита относительно вторичной катушки отличается от нуля, то гальванометр будет сигнализировать нам о протекании тока. Если они покоятся друг относительно друга, то ток во вторичной катушке не протекает.
Если же электромагнит подключить к источнику переменного тока, и при этом не передвигать первичную и вторичную катушки друг относительно друга, то мы тоже будем наблюдать возникновение тока во вторичной катушке, причем обязательно переменного и такой же частоты, как и в первичном контуре.
Во всех перечисленных случаях мы видим, что во вторичной катушке возникает электродвижущая сила (ЭДС). Также заметим на этом этапе, что индукционный ток течет в таком направлении, чтобы препятствовать изменению магнитного поля. Например, если магнитное поле уменьшается по модулю в первичной катушке, то во вторичной создаётся индукционный ток, который по правилу правого винта создает магнитное, сонаправленное с внешним полем первичной катушки. Позже мы сформулируем правило Ленца, которое определяет направление индукционного тока.
Рассмотрим более простой с математической точки зрения опыт, в котором в однородное магнитное поле B помещена рамка ABCD, одна из сторон которой (BC) может перемещаться, не теряя при этом контакта с остальной частью контура. Точками обозначено направление поля — на нас.
На электроны стороны CB длины l, которая движется со скоростью v, будет действовать сила Лоренца, которая создаст в стороне CB ЭДС индукции ε = -v*B*l . Знак минус поставлен, так как стороннее электрическое поле, вызвавшее ЭДС индукции, направлено так, что индукционный ток ослабляет поле B, если площадь контура увеличивается, и, наоборот, увеличивает магнитное поле, если площадь контура уменьшается.
Есть такая удобная величина, которая называется магнитный поток и вычисляется по формуле: Ф =SB*cos *dS , или, когда поле однородно, просто Ф = B*S*cos . Здесь B*cos — это нормальная составляющая вектора магнитной индукции к плоскости S. В нашем случае величина v*B*l равняется скорости изменения магнитного потока dФ/dt. Поэтому величина ЭДС индукции будет определяться формулой ε = -dФ/dt .
Многочисленные опыты с различными формами контуров, различными типами движения контуров в магнитном поле показали, что эта формула является общим законом электромагнитной индукции и что на ЭДС индукции влияет именно скорость изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
Стоит заметить, что во многих опытах возникновение ЭМ индукции можно объяснить силой Лоренца со стороны магнитного поля, однако в опыте, когда катушки с переменным током покоятся друг относительно друга, никакой силы Лоренца возникать не может, и возникновение ЭДС индукции объясняется именно изменением потока B через вторичную катушку.
Сформулируем обещанное правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы препятствовать изменению величины магнитного потока через замкнутый контур.
Более глубокое понимание ЭМ индукции дает рассмотрение явления с точки зрения электромагнитного поля. ЭДС индукции возникает из-за наличия электрического поля. Причем это поле, в отличие от электростатики, непотенциально (иначе бы ЭДС в замкнутом контуре было бы нулевое). Оно получило название вихревое поле; и возникает там, где есть переменное магнитное поле.
На картинке изображен осесимметричный случай, когда поле B изменяется во времени. Вектор ΔB показывает направление изменения магнитной индукции во времени, а вектор E — величину вихревого поля в конкретной точке пространства.
В понимании Фарадея явление ЭМ индукции проявляется в индукционных токах в замкнутых контурах. Дж. Максвелл предложил свою точку зрения на ЭМ индукцию, не требующую каких либо контуров и проводников в принципе. В его понимании явление электромагнитной индукции заключается именно в возникновении вихревого электрического поля — причине, по которой могут появляться индукционные токи. Он обобщил закон ЭМ индукции и представил его в виде формулы, которая вошла в систему уравнений Максвелла:
В заключение можно добавить, что рассмотренное нами явление повсеместно встречается в современной технике. На нем основана работа индукционных нагревательных элементов, с ним связано наличие вихревых токов, и именно из за этого явления рекомендуют разматывать удлинители, смотанные в катушку, при использовании на большой мощности.
Если любопытный читатель захочет самостоятельно пронаблюдать явление ЭМ индукции, то рекомендуется использовать катушку с ферромагнитным сердечником (например, это может быть железный гвоздь), так как благодаря своей высокой магнитной проницаемости большая часть потока будет сосредоточена именно в нем. На этом свойстве ферромагнетиков основана работа трансформаторов. Статью о них или других электрических приборах вы можете перечитать (или прочитать впервые) теперь уже с более полным пониманием физики процесса. Ждем ваших комментариев и пожеланий!
Автор: Янушкевич Коля
Редактор: Иван Авсеенко
Эксперт: Сабуров Даниил
Информация о произведении:
Условия использования: свободное некоммерческое использование при условии указания людей, участвовавших в его создании, и ссылки на первоисточник (статьи на действующем сайте интернет-журнала «Стройка века»).
Для коммерческого использования обращаться на почту: buildxxvek@gmail.com