21)Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея. Правило Ленца

Як показав Ерстед магнітне поле породжується провідниками зі струмом. Виникає питання: чи не можна створити електричний струм за допомогою магнітного поля? Це питання експериментальним шляхом розв’язав М.Фарадей в 1837 році. Він встановив, що в замкненому контурі виникає електричний струм, якщо площину охоплену контуром, перетинає змінний магнітний потік, тобто, якщо Цей струм Фарадей назвавіндукційним (наведеним), а саме явище – явищем електромагнітної індукції. Зрозуміло, що в цій ситуації виникнення струму є вторинним ефектом; первинним є виникнення електрорушійної сили індукції.

Отже, явищем електромагнітної індукції називається виникнення електрорушійної сили в контурі при зміні магнітного потоку через площину, обмежену контуром. Величина е.р.с. індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку (закон Фарадея):. (4.40)

Знак “–” в законі Фарадея відповідає правилу Ленца: індукційний струм завжди має такий напрямок, щоб своїм магнітним полем протидіяти зміні магнітного потоку, який викликає появу цього струму. Правило Ленца відображає закон збереження енергії стосовно явища електромагнітної індукції: якби індукований магнітний потік, всупереч правилу Ленца , сприяв зростанню швидкості зміни індукуючого потоку, то це призвело б до збільшення струму, в результаті чого збільшився б магнітний потік, знову збільшився б індукційний струм, і так – до нескінченості. Зрозуміло, що такий «саморозгін» суперечить закону збереження енергії.

Індуктивність контура. Явище самоіндукції. Енергія магнітного поля

Нехай по замкненому контуру протікає струм силою І. Індукція магнітного поля, створеного цим струмом, пропорційна до сили струму (, див.§4.2). Величина ж магнітного потоку пропорційна до індукції магнітного поля (, див. §4.6). Отже, магнітний потік через площину контура пропорційний до сили струму в контурі:або, деL – коефіцієнт пропорційності між силою струму в контурі і магнітним потоком, що перетинає цей контур, який називається індуктивністю контура. Одиницею вимірювання індуктивності в СІ є Генрі:. Індуктивність контура залежить від його розмірів і форми, а також від магнітної проникливості навколишнього середовища. Як приклад, знайдемо вираз для індуктивності довгого соленоїда – котушки довжиноюі площею поперечного перерізуS, що складається з N витків дроту. При проходженні через соленоїд струму І в ньому виникає магнітне поле , напрямлене вздовж осі соленоїда (див. 4.21). Тоді кожен виток соленоїда перетинає магнітний потік, а повний магнітний потік через соленоїд. Оскільки– число витків на одиниці довжини соленоїда, то.(4.42)Прирівнюючи (4.41) і (4.42), отримаємо для індуктивності соленоїда, (4.43)де– магнітна проникливість матеріалу осердя.

Якщо сила струму в контурі змінюється, то змінюється і магнітний потік через контур. Згідно з законом Фарадея (4.40) зміна магнітного потоку викликає появу е.р.с. індукції, яка в даному випадку називається е.р.с. самоіндукції.

Отже, явище самоіндукції полягає у виникненні е.р.с. самоіндукції у контурі, по якому тече змінний електричний струм. Вираз для е.р.с. самоіндукції одержимо, підставивши (4.41) в (4.40):. (4.44)

Якщо в контурі немає феромагнітних матеріалів, для яких , тоі (4.44) спрощується:, (4.45)тобто е.р.с. самоіндукції пропорційна до швидкості зміни сили струму в контурі.