Закон электромагнитной индукции

Индукцией называется явление возникновения одного поля (например, электрического) при изменении другого поля (например, магнитного).

Электромагнитной индукцией называется явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля. Впервые это явление было открыто выдающимся английским физиком Майклом Фарадеем в 1831г. Фарадей установил, что индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Рис. 15.1

Так, в опытах, показанных на рис. 15.1 при резком введении в катушку постоянного магнита стрелка гальванометра кратковременно отклонялась, что является следствием возникновения индукционного тока в катушке. Направление индукционного тока зависело от того, каким полюсом был обращен к катушке магнит и удалялся он от нее или приближался к ней. При статическом положении катушки и магнита индукционный ток отсутствовал.

Дальнейшие исследования индукционного тока в проводящих контурах различной формы и размеров показали справедливость закона электромагнитной индукции Фарадея:

ЭДС электромагнитной индукции в контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур:

. (15.1)

Знак «минус» показывает направление индукционного тока

, (15.2)

которое определяется правилом Э.Х. Ленца (1833г.) − индукционный ток имеет такое направление, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток ( - сопротивление контура). Правило Ленца иллюстрирует рис. 15.2.

Рис. 15.2

Если ЭДС индукции появляется вследствие возрастания магнитного потока (внесение магнита в катушку), то индукционный ток создаст магнитное поле, уменьшающее возрастание , т.е. будет стараться вытолкнуть магнит из катушки и наоборот.

Последователь Фарадея - великий английский физик Джеймс Максвелл (1831-1879), проанализировал все известные к тому времени законы электромагнетизма и в 1861-1864 гг. создал теорию электромагнитного поля, записав ее в виде четырех уравнений (подробно эти уравнения рассмотрены далее, в разделе 16).

Согласно первому уравнению Максвелла, переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле в произвольном замкнутом контуре пространства (не обязательно проводящем контуре). Согласно третьему уравнению Максвелла это вихревое электрическое поле в следующей области пространства порождает переменное магнитное поле и т.д. Таким образом, возникает и распространяется электромагнитная волна.

Экспериментальное подтверждение электромагнитной теории Максвелла было дано примерно через 15 лет в опытах Г. Герца (1888 г.), который впервые получил электромагнитные волны.

На явлении электромагнитной индукции основано действие промышленных генераторов, трансформаторов и т.д., без которых современное развитие электротехники и электроэнергетики было бы невозможно.

Согласно первому уравнению Максвелла, циркуляция вектора напряженности электрического поля вдоль произвольного замкнутого контура равна взятой с обратным знаком скорости изменения магнитного потока через поверхность , натянутую на контур :

, (15.3)

где

, (15.4)

- угол между векторами и .

Изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое поле , циркуляция которого для замкнутого контура равна ЭДС индукции:

. (15.4)

Это и есть закон электромагнитной индукции в интегральной форме.

Если в таком электрическом поле находится проводящий замкнутый контур, то в нем возникает вихревой электрический ток, величина которого пропорциональна напряженности вихревого электрического поля. Такие токи называются токами Фуко.