16. Индукции токов в движущихся проводниках. Закон электромагнитной индукции Фарадея.

Связь магнитного поля с протекающим в проводнике током обусловила эксперименты по возбуждению тока в проводящем контуре с помощью магнитного поля. Эта задача была решена в 1831 г. английским физиком Майклом Фарадеем.

Явление электромагнитной индукции – в замкнутом проводящем контуре при всяком изменении магнитного потока через поверхность, охватываемую контуром, возникает индукционный магнитный ток.

Суть классических опытов Фарадея представлена на рис.104-105. Магнитный поток через витки катушки, присоединенной к чувствительному гальванометру, можно изменять как взаимным перемещением постоянного магнита и катушки(рис.104а), так и перемещением одной катушки с током в магнитном поле другой катушки (рис.104б).

В обоих случаях возникает индукционный ток, но его направление определяется тем, убывает магнитный поток или возрастает. На рис.105 изменение магнитного потока через поверхность контура вызывается изменением тока в катушке с помощью реостата, включенного в цепь катушки.

РИС.104 РИС.105

Появление индукционного тока в проводнике означает, что при изменении магнитного потока через поверхность, им ограниченную, возникает фактор, который обеспечивает направленное движение зарядов. По аналогии с цепями постоянного тока можно ввести ЭДС индукции.

Фарадей установил, что ЭДС индукции совершенно не зависит от того, каким образом изменяется магнитный поток, и определяется лишь скоростью изменения магнитного потока, а в 1845 г. Ф.Э.Нейман ввел математическую запись закона электромагнитной индукции : .

Знак (-) в законе соответствует эмпирическому правилу Э.Х.Ленца: индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего появление индукционного тока.

Возникновение ЭДС индукции в контуре, перемещающимся под действием магнитного поля, было впервые обосновано Гельмгольцем в 1894 г. на основании закона сохранения энергии.

Рассмотрим замкнутый на источник контур общим сопротивлением R. Если контур неподвижен и нет преобразований в другие виды энергии, то работа источника за некоторое время, по закону Джоуля-Ленца, равна количеству теплоты выделяющейся в контуре за это время:

17. Объемная плотность энергии электрического поля. Энергия поля поверхностных зарядов. Энергия заряженных проводников.

, , где - потенциал в .

, .

.

И тогда для всего пространства пропорционален , пропорционален , пропорционально , т.е. последний интеграл для всего пространства () равен нулю. Т.е.

, откуда энергия единицы объема

.

Рассуждая похожим образом, находим плотность энергии магнитного поля:

.

Для магнитного поля еще рассматривается энергия магнитного контура с током. При увеличении силы тока источник отдает энергию на создание магнитного поля. Это есть работа на увеличение от 0 до .

,

- собственная энергия тока.

Энергия заряженных проводников

Учитываются только поверхностные заряды. Поэтому

.

Для энергии магнитных полей (для соленоида длины ), - собственная энергия тока. Из таких рассуждений: для изменения тока надо совершить работу по изменению магнитного потока:

.

Энергия заряженного конденсатора находим как произведение энергии единицы объема на объем конденсатора.