§3 Объяснение природы электромагнитной индукции
Для того, чтобы разобраться в причинах возникновения явления электромагнитной индукции рассмотрим два случая: 1) контур движется в постоянном магнитном поле; 2) контур покоится в переменном магнитном поле.
КОНТУР ДВИЖЕТСЯ В ПОСТОЯННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Возникновение индукционного тока свидетельствует о том, что изменяющееся во времени магнитное поле вызывает в контуре появление сторонних сил.
При движении проводника (подвижной перемычки) в постоянном магнитном поле со скоростью , на электроны внутри проводника действуют сила Лоренца под действием которой возникает направленное движение электронов со скоростью – это и есть индукционный ток. Перераспределившиеся заряды создадут электрическое поле на концах проводника возникает разность потенциалов, т.е. внутри проводника создается электрическое поле напряженностью . Таким образом, на электрон в проводнике действуют две силы: сила Лоренца, со стороны магнитного поля и сила, действующая со стороны электрического поля . Когда действие этих сил на электрон скомпенсировано, его перемещение по проводнику прекращается.
(3.1) |
|
(3.2) |
|
(3.3) |
|
(3.4) |
Учитывая, что циркуляция вектора по замкнутому контуру дает по определению величину ЭДС индукции, получаем:
(3.5) |
|
(3.6) |
|
(3.7) |
Таким образом, возникновение индукционного тока при движении контура (или его частей) объясняется действием силы Лоренца, которая возникает при движении проводника в магнитном поле.
КОНТУР ПОКОИТСЯ В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
В случае неподвижного контура сила Лоренца не действует, т.к. заряд в проводнике неподвижны. Однако возникновение индукционного тока в неподвижном контуре свидетельствует о том, что изменяющееся во времени магнитное поле вызывает в контуре появление сторонних сил. Для объяснения явления электромагнитной индукции Дж. Максвелл предположил, что всякое изменяющееся во времени магнитное поле приводит к появлению в пространстве электрического поля независимо от наличия проводящего контура. Последний лишь позволяет обнаружить по возникновению в нем индукционного тока существование этого поля.
Циркуляция вектора напряженности возникшего электрического поля напряженностью по любому неподвижному контуру определяется как
(3.8) |
|
(3.9) |
|
(3.10) |
Таким образом, закон электромагнитной индукции (2.7) справедлив когда магнитный поток меняется за счет движения контура или за счет изменения магнитного поля, или за счет того и другого. Несмотря на то, что для объяснения механизма возникновения причин появления индукционного тока использовались разные явления: для движущегося контура (или его частей) – действие силы Лоренца; для меняющегося во времени поля – возникновение вихревого электрического поля – явление электромагнитной индукции воспринимается как их совместный эффект.