2020-05-21
237
Появление ЭДС индукции e i свидетельствует о том, что в проводящем контуре возникают сторонние силы, совершающие работу по разделению разноименных электрических зарядов. Природа сторонних сил различна и зависит от того, в какой ситуации они появляются.
Случай 1. В постоянном магнитном поле находится контур переменной площади или вращается контур постоянной площади, или двигается проводник.
В этом случае, возникновение ЭДС индукции eiсвязано с действием на свободные заряды силы Лоренца. На рис. 1.2, а, показано, что при движении проводника со скоростью 
в магнитном поле, электроны под действием силы Лоренца перемещаются к одному концу проводника, вследствие чего, на нем возникает избыток электронов, а на другом конце – их недостаток. Таким образом, сторонней силой, разделяющей заряды, является сила Лоренца.
Рис. 1.2
Случай 2. Неподвижный контур постоянной площади находится в переменном магнитном поле.
В этом случае на свободные заряды в проводнике сила Лоренца не действует, и для объяснения возникновения ЭДС индукции e i Максвелл сформулировал следующий постулат: переменное во времени магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле.
|
|
|
Этот постулат является первым положением теории электромагнитного поля Максвелла.
Согласно Максвеллу, линии вихревого электрического поля являются замкнутыми, они связаны с направлением вектора 
правилом левого буравчика и лежат в плоскости, перпендикулярной к вектору 
(рис. 1.2, б). Именно силы вихревого электрического поля совершают работу по разделению разноименных зарядов в проводнике, т. е. являются сторонними силами.
; (1.3)
, (1.4)
где 
– вектор напряженности электрического поля, а контур (Г) (воображаемая линия) располагается внутри проводника (проводящего контура) [1].
Правило Ленца
Направление индукционного тока можно найти по правилу Ленца: индукционный ток в контуре возникает такого направления, чтобы создаваемое им магнитное поле препятствовало любым изменениям магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток [1].
С правилом Ленца связан знак минус в формуле (1.1). Действительно, если магнитный поток F через плоскость контура возрастает, то тогда 
и согласно (1.1) e i <0, т. е. магнитный поток Fi, создаваемый индукционным током, будет противоположен по знаку магнитному потоку F. При убывании F 
, e i >0 и магнитные потоки Fi,и F совпадают по знаку[1].
Алгоритм применения правила Ленца:
|
|
|
1. Определить в центре проводящего контура направление внешнего магнитного поля 
.
2. Определить увеличивается или уменьшается магнитный поток сквозь контур.
3. Если магнитный поток увеличивается, то направление магнитного поля 
, созданного индукционным током, должно быть противоположно направлению вектора внешнего магнитного поля (
), если магнитный поток уменьшается, то – 
.
4. Зная направление вектора 
, по правилу Буравчика (правой руки) определить направление индукционного тока Ii.
На рис. 1.3 приведен пример определения направления индукционного тока Ii с помощью правила Ленца. Пусть проводящий контур находится в возрастающем со временем 
внешнем магнитном поле. Тогда магнитный поток F, пронизывающий контур, тоже увеличивается. Следовательно, силовые линии магнитного поля 
, созданного появившемся индукционным током, направлены противоположно линиям 
индукции внешнего магнитного поля. Зная направление вектора , по правилу Буравчика (правой руки), определяем направление индукционного тока Ii.
Рис. 1.3
Токи Фуко
Токи Фуко – это индукционные токи, возникающие в массивных проводниках. Для таких проводников сопротивление R будет мало и поэтому индукционные токи (Ii =e i/R) достигают большой величины.
Токи Фуко используются для нагревания и плавления металлических заготовок, получения особо чистых сплавов и соединений металлов. Для этого металлическую заготовку помещают в индукционную печь (соленоид, по которому пропускают переменный ток) [1]. При этом внутри металла возникают индукционные токи, разогревающие металл (вплоть до его плавления). Если в печи создать вакуум и применить левитационный нагрев (в этом случае силы электромагнитного поля не только разогревают металл, но и удерживают его в подвешенном состоянии вне контакта с поверхностью камеры), то получаются особо чистые металлы и сплавы [1].
Кроме того, токи Фуко могут приводить и к негативным эффектам – нагреву сердечников трансформаторов, электродвигателей и т. д. Чтобы уменьшить нежелательное воздействие токов Фуко, массивный проводник набирают в виде отдельных пластин. Сила индукционных токов в отдельных пластинах существенно меньше силы тока, текущего по целому массивному проводнику, поэтому в соответствии с законом Джоуля – Ленца (
), уменьшается выделяемое в проводнике количество теплоты.
