Способность магнитного поля воздействовать на проводник с током привела к мысли о том, а нельзя ли с помощью магнитного поля возбудить ток в замкнутом контуре? И эта задача была успешно решена М. Фарадеем в 1831 г. с помощью следующих опытов. В первом из них при введении постоянного магнита в соленоид, замкнутый на гальванометр, наблюдается отклонение стрелки гальванометра. Противоположное отклонение стрелки происходит при удалении магнита из катушки. При этом величина отклонения стрелки гальванометра пропорциональна скорости движения магнита относительно катушки, то есть скорости изменения магнитного поля. Возникающий ток называют индукционным. Индукционный ток возбуждается и в том случае, когда перемещается соленоид относительно магнита. Этот же опыт можно повторить при замене постоянного магнита катушкой меньшего диаметра, которая питается от источника тока. Открытую М. Фарадеем возможность получения электрического тока с помощью магнитного поля называют электромагнитной индукцией. Физическая сущность явления состоит в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, пронизывающего контур, возникает электрический ток, называемый, как уже отмечалось, индукционным. Способ изменения потока магнитной индукции при этом не влияет на величину индукционного тока. Так, появления индукционного тока взамкнутом проводящем контуре можно добиться, при повороте его в однородном магнитном поле. И этот способ получения индукционного тока реализован в генераторах электрического тока, в которых вращается не один, а ряд витков, соединенных последовательно. Именно таким образом осуществляется производство электрической энергии. Но при этом необходимо иметь источник механической работы. На тепловых и атомных электрических станциях таковыми являются паровые турбины, на гидростанциях — гидравлические. Оригинальный способ преобразования механической энергии в электрическую опробован впервые на «Шаттле». Он, к сожалению, окончился обрывом проволоки. Суть способа состояла в том, что сверхпрочная проволока длиной 22 км на спутнике, пересекая магнитное поле Земли, должна была дать, как обычная динамо-машина, 5 кВт электроэнергии при токе силой 5 А.
Процесс преобразования механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, размещенную в магнитном июле, пропускать электрический ток, тo на нее будет действовать вращающий момент, и рамка начнет вращаться (см. п. 11.2). На этом принципе построена работа электродвигателей.
Появление индукционного тока указывает на наличие в контуре электродвижущей силы электромагнитной индукции. Значение ЭДС электромагнитной индукции определяется только скоростью изменения магнитного потока
Настоящее соотношение называется законом Фарадея. Знак «минус» указывает на то, что увеличение потока (dФВ/dt)>0 вызывает ei < 0, то есть поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение потока (dФВ/dt)<0 вызывает еi > 0, то есть магнитное поле индукционного тока инаправление первичного магнитного потока совпадают. Таким образом, ЭДС электромагнитной индукции ei в контуре численно равна, и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Физическая же природа ЭДС электромагнитной индукции обусловлена действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника или контура, а следовательно, и свободных электрических зарядов, находящихся в них в постоянном магнитном поле. С позиции электронной теории проводимости появление ЭДС индукции происходит следующим образом. Пусть часть контура в виде проводника (рис. 12.14) движется слева направо со скоростью v в однородном магнитном поле, силовые линии которого направлены сверху вниз. Вместе с проводником движутся его свободные электроны. Направленное же движение заряженных частиц есть электрический ток. Но на движущиеся заряженные частицы действует магнитное поле в виде сил Лоренца в направлении, определяемом правилом левой руки. Движение отрицательных зарядов в проводнике под действием силы Лоренца происходит так, как это указано на рис. 12.14. В результате в левой части проводника образуется отрицательный заряд, а в правой — избыточный положительный. Между концами проводника, таким образом, возникает напряжение, которое и является мерой ЭДС индукции.
Знак «минус» в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца (1833 г.), позволяющего определить направление индукционного тока. Индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, при котором создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего индукционный ток.