Вихревое электрическое поле

 

Какова причина появления индукционного тока? Изменение магнитного потока через контур. Изменение магнитного потока через контур может происходить:

1) в случае неподвижного проводящего контура, помещенного в изменяющееся во времени поле;

 2) в случае проводника, движущегося в магнитном поле, которое может и не меняться со временем.

Причем в обоих случаях происхождение ЭДС индукции различно.

Пусть круговой проволочный виток радиусом r находится в переменном во времени однородном магнитном поле. Пусть индукция магнитного поля увеличивается, тогда будет увеличиваться со временем и магнитный поток через поверхность, ограниченную витком. Согласно закону электромагнитной индукции в витке появится индукционный ток. При изменении индукции магнитного поля по линейному закону индукционный ток будет постоянен.

 Какие же силы заставляют заряды в витке двигаться? Само магнитное поле может действовать только на движущиеся заряды, а проводник неподвижен. Но, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, может действовать электрическое поле. Откуда оно здесь взялось? Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле - к такому выводу впервые пришел Дж. Максвелл. Главное в явлении электромагнитной индукции — это процесс порождения меняющимся магнитным полем поля электрического, которое приводит в движение электрические заряды в этом проводнике.

 

Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле. Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность вихревого электрического поля. По правилу Ленца: - при возрастании магнитной индукции направление вектора напряженности электрического поля образует левый винт с направлением вектора магнитной индукции, т.е. при вращении винта с левой нарезкой в направлении линий напряженности электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции. - при убывании магнитной индукции направление вектора напряженности образует правый винт с направлением вектора магнитной индукции. Направление силовых линий напряженности вихревого поля совпадает с направлением индукционного тока.

 Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q (сторонняя сила), равна: Работа вихревого электрического поля В отличие от стационарного электрического поля работа вихревого поля по перемещению заряда q на замкнутом пути не равна нулю. При перемещении заряда вдоль замкнутой линии напряженности электрического поля работа на всех участках пути имеет один и тот же знак, так как сила и перемещение совпадают по направлению.

Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике. Индукционные токи в массивных проводниках.

 В массивных проводниках, чье сопротивление мало, индукционные токи очень велики, и вызывают сильный разогрев. Такие токи называются токами Фуко. Разогрев на основе индукционных токов используется в индукционных печах (например, в СВЧ-печах), для плавки металлов. Индукционные токи регистрируются в детекторах металла, устанавливаемых при контроле на входе. Однако во многих устройствах возникновение токов Фуко приводит к потерям энергии на выделение тепла. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и т. д. делают не сплошными, а состоящими из отдельных изолированных пластин, что уменььшает токи Фуко и, следовательно, потери энергии. На очень высоких частотах применение сердечников катушек из отдельных пластин уже не дает нужного эффекта. Здесь используют ферриты - магнитные изоляторы, в которых при перемагничивании вихревые токи не возникают. Из ферритов делают сердечники высокочастотных трансформаторов, магнитные антенны транзисторов.

САМОИНДУКЦИЯ.

Если по катушке идет переменный ток, то: магнитный поток, пронизывающий катушку, меняется во времени, а в катушке возникает ЭДС индукции. Это явление называют самоиндукцией. По правилу Ленца при увеличении тока напряженность вихревого электрического поля направлена против тока, т.е. вихревое поле препятствует нарастанию тока. При уменьшения тока напряженность вихревого электрического поля и ток направлены одинаково, т.е.вихревое поле поддерживает ток.

На вышеприведенном рисунке: при замыкании ключа первая лампа вспыхивает практически сразу, а вторая — с заметным запозданием, т.к. ЭДС самоиндукции в цепи второй лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значения.

При размыкании ключа в катушке L возникает ЭДС самоиндукции, которая поддерживает уменьшающийся ток. В момент размыкания через гальванометр идет ток размыкания, направленный против начального тока до размыкания. Сила тока при размыкании может быть больше начального тока, т.е. ЭДС самоиндукции больше ЭДС источника ток

 

ИНДУКТИВНОСТЬ

Величина индукции магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции. Следовательно

Ф = LI где L — индуктивность контура (иначе коэффициентом самоиндукции), т.е. это коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком

Используя закон электромагнитной индукции, получаем равенство

Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с. Индуктивность зависит от размеров проводника, его формы и магнитных свойств среды, в которой находится проводник, но не зависит от силы тока в проводнике. Индуктивность катушки (соленоида) зависит от количества витков в ней. Единицу индуктивности в СИ называется генри (1Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

 Аналогия между самоиндукцией и инерцией. Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. В механике: Инерция приводит к тому, что под действием силы тело приобретает определенную скорость постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. В электродинамике: При замыкании цепи за счет самоиндукции сила тока нарастает постепенно. При размыкании цепи самоиндукция поддерживает ток некоторое время, несмотря на сопротивление цепи. Явление самоиндукции выполняет очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.