34. Электромагнитное поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для электромагнитной индукции. Правило Ленца.

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 в замкнутом 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 (dФ_В/dt)>0 вызывает e_i < 0, то есть поле индукционного тока направлено навстречу потоку; уменьшение потока (dФ_В/dt)<0 вызывает е_i > 0, то есть магнитное поле индукционного тока и направление первичного магнитного потока совпадают. Таким образом, ЭДС электромагнитной индукции e_i 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.