Явление электромагнитной индукции Фарадея

Схема простейшего опыта, иллюстрирующая явление электромагнитной индукции, приведена на рис. 1.2. Как показали опыты, в момент движения магнита в катушке возникает электрический ток. Причем, при движении магнита внутрь катушки стрелка измерительного прибора отклоняется в одну сторону (например, вправо), а при движении магнита наружу – в другую (влево). При отсутствии движения тока в катушке нет. После многочисленных экспериментов Фарадей сделал вывод, что причиной возникновения этих токов является изменяющийся во времени магнитный поток Ф_В,

Рис. 1.2. Явление электромагнитной индукции

пронизывающий витки катушки. Магнитный поток Ф_В создается магнитным полем постоянного магнита и равен произведению суммарной площади витков катушки на значение индукции магнитного поля В (в случае когда направление магнитного поля перпендикулярно плоскости витков) или в общем случае:

Ф_В = SB cosa, (2)

если поле составляет с нормалью n (перпендикуляром) к плоскости витков угол a (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Магнитный поток через площадку

Более детальные опыты были поставлены затем Фарадеем с двумя параллельно расположенными рядом витками (контурами), рис. 1.4. Первый контур был подсоединен к источнику тока, величину которого можно было регулировать при помощи реостата и таким образом создавалось контролируемое изменяющееся во времени магнитное поле. Ко второму контуру подсоединялся измерительный прибор.

Первый опыт заключался в том, что значение тока в первом контуре (т.е. создаваемое им магнитного поля) увеличивалось. В этом случае во втором контуре возникал так называемый индукционный (наведенный) ток I₂₁, направленный в сторону, противоположную току в первом контуре.

Второй опыт соответственно проводился при уменьшении тока в первом контуре. В этом случае во втором контуре также возникал ток I₂₂, но его направление совпадало с направлением тока в первом контуре. При этом в обоих случаях значение тока во втором контуре увеличивалось с увеличением скорости изменения тока в первом контуре.

Рис. 1.4. Возникновение индукционного тока в контуре

Рис. 1.5. Возникновение вихревых токов в контролируемом объекте

Общим в этих опытах было то, что менялась величина магнитного потока Ф_В = BS, пронизывающего второй контур в результате изменения магнитного поля, создаваемого током первого контура.

На основании анализа этих и других опытов, учитывая, что токи создаются напряжением (или электродвижущей силой, ЭДС) Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции : величина наводимой в контуре ЭДС (напряжения) пропорциональна скорости изменения пронизывающего его магнитного потока, а направление таково, чтобы препятствовать причине вызывающей эту ЭДС, или в виде формулы:

ЭДС_ИНД = U_ИНД = – DФ_М/Dt = – D(BS)/Dt, (3)

где DФ_М = D(BS) – величина изменения магнитного потока,
Dt – промежуток времени, за который происходит это изменение.

Вторая часть закона о направлении ЭДС и знак «минус» в формуле (3) выражают правило Ленца.

Если мы имеем катушку, состоящую из N витков, то магнитный поток в (3) умножается на число витков этой катушки.

Очевидно, что если через первый контур пропускать переменный ток, то во втором контуру будет также возбуждаться переменная ЭДС и потечет переменный ток.

Этот закон лежит в основе работы трансформаторов, электрогенераторов и многих других приборов и устройств, в том числе и вихретоковых дефектоскопов.