После открытия в 1820 г. Эрстедом магнитного действия тока и доказательства, что вокруг проводника с током порождается магнитное поле и на проводник с током действует магнитная сила, многие выдающиеся ученые того времени попытались достичь обратного – превратить магнетизм в электричество.
Такую задачу сформулировал для себя в декабре 1821 г. выдающийся английский ученый Фарадей.
Рис. 1. Первый опыт Фарадея, 1831 г. Катушка с током 1 возбуждает ток в другой катушке 2 при замыкании и размыкании цепи.
Поставленную задачу Фарадей смог успешно решить только через 10 лет напряженных исследований.
В первом сообщении 24 ноября 1831 г. в разделе об индукции электрических токов им описан опыт по электромагнитной индукции.
В этом опыте вблизи располагались две изолированные друг от друга обмотки. Одна из них соединялась с гальваническим элементом, другая с гальванометром. При замыкании и размыкании тока в первой обмотке стрелка гальванометра отклонялась: при замыкании цепи в одну сторону, при размыкании – в противоположную.
Это явление Фарадей назвал вольта-электрической индукцией.
Индукция усиливалась, если внутри обмоток помещалось железо. Это устройство из двух катушек с металлическим сердечником явилось первым прообразом трансформатора (рис. 1)
Причем ток во второй катушке появляется при любом изменении тока в первой катушке.
Затем Фарадей получил индукционные действия с помощью обыкновенных постоянных магнитов.
При внесении или удалении постоянного магнита из катушки включенный в цепь гальванометр показывал прохождение электрического тока (рис. 2). Направления тока при внесении и удалении магнита были различны. Это явление Фарадей назвал магнитоэлектрической индукцией.
Рис. 2. Явление магнитоэлектрической индукции – возбуждение электрического тока в катушке при внесении и удалении из нее постоянного магнита
Дальнейшие исследования показали, что в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, возбуждается электрический ток – ток индукции, или индукционный ток. Величина этого тока тем больше, чем выше скорость изменения магнитного потока в замкнутом контуре(рис. 3).
|
Но если магнитный поток, пронизывающий замкнутый проводящий контур, остается постоянным, то никакого электрического тока не наблюдается.
Отсутствие тока в проводниках, размещенных в статическом магнитном поле, не позволяло долгое время обнаружить возможность получения с помощью магнитных полей электрического тока.
Если мы начнем вращать рамку с проводом в постоянном магнитном поле и будем при помощи скользящих контактов замыкать цепь, то обнаружим, что во внешней цепи и по рамке течет ток, т.е. в цепи поддерживается электродвижущая сила. Таким образом, мы получили генератор переменного электрического тока (рис. 4).
Рис. 4 Генератор переменного
электрического тока
Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.
Ф = B*S*cosα
где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором B и нормалью n к плоскости контура
Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n и выбранное положительное направление l обхода контура связаны правилом правого буравчика [это к картинке]
Ток, возбуждаемый магнитным полем в замкнутом контуре, называется индукционным, а само явление возбуждения тока посредством магнитного поля – электромагнитной индукцией. Электродвижущая сила, обуславливающая индукционный ток, называется электродвижущей силой индукции.
Обобщая результаты своих многочисленных опытов по электромагнитной индукции, Фарадей пришел к следующим выводам:
В замкнутом контуре индуцируется ток во всех случаях, когда происходит изменение потока магнитной индукции сквозь площадь, ограниченную контуром.
*Электродвижущая сила индукции пропорциональна скорости изменения потока магнитной индукции [ закон Фарадея ]
Ei = - (dФ/dt) 
где Ф – поток магнитной индукции, t – время.
Закон Фарадея может быть получен, исходя из закона сохранения энергии.
Работа при перемещении контура с током I в магнитном поле равна
d A = –Id Ф,
где d Ф – изменение потока магнитной индукции в контуре при его перемещении в магнитном поле.
Затрачиваемая работа идет в нашем случае на перемещение зарядов по замкнутому контуру и определяется законом Джоуля – Ленца
d A = eIdt,
где e – ЭДС, I - ток, возбуждаемые в контуре.
Приравнивая эти два соотношения, получаем для ЭДС электромагнитной индукции закон Фарадея
e = – 
- ЭДС индукции со знаком «минус» равна скорости изменения магнитного потока в магнитном контуре.
Единица магнитного потока в системе СИ называется вебером (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, создается магнитным полем с индукцией 1 Тл, пронизывающим по направлению нормали плоский контур площадью 1 м2
В 1833 г. Э.Х. Ленц установил общее правило для определения направления индукционного тока:
Индукционный ток имеет такое направление, что его собственное магнитное поле компенсирует изменение потока магнитной индукции, вызывающее этот ток [ правило Ленца ]
Иными словами, индукционный ток направлен так, что его собственное магнитное поле препятствует изменению потока магнитной индукции, вызвавшему этот ток.
Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что 
инд и 
всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Правило Ленца можно продемонстрировать с помощью соленоида с металлическим сердечником, на который надето алюминиевое кольцо (рис. 6).
Рис. 6
Если соленоид подключить к источнику переменного тока, то алюминиевое кольцо зависает над сердечником. Необходимую для этого силу порождают индукционные токи, возбуждаемые в кольце.
Тот факт, что кольцо выталкивается с сердечника, говорит о том, что индукционные токи в нем препятствуют изменению магнитного поля, проходящего через кольцо. Кольцо отталкивается от катушки, как отталкиваются одноименные полюса магнитов. Если в кольце сделать разрез по радиусу, то ток в кольце исчезнет и кольцо не будет отталкиваться.
Этот опыт показывает, что сила отталкивания обусловлена индукционными токами в кольце.
Индукционные токи возбуждаются в массивных проводниках, движущихся в магнитных полях. Эти вихревые индукционные токи называются токами Фуко.
Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью v в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле (Рис. 7). Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции.
Рис. 7 Вихревые токи препятствуют движению металлической пластинки между полюсами магнита
* Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонние силы
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 г.
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея. Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Явление электромагнитной индукции лежит и в основе принципа работы телефона – аппарата, передающего речь на расстоянии. Первоначально телефон состоял из двух одинаковых «слухофонов», соединенных длинными проводами. Принцип устройства состоит в том, что звуковые колебания воздуха передаются металлической мембране, замыкающей полюса магнитов, на которых намотана катушка с проволокой. Движение мембраны под действием волн изменяет величину магнитного поля в сердечнике. В результате в катушке, намотанной на сердечник, возникает ЭДС.
Если концы катушки присоединить ко второму точно такому же «слухофону», то в нем электрический ток, являющийся электрическим изображением звука первого слухофона, будет изменять силу притяжения мембраны к магниту.
Она начнет совершать колебания и породит звуковые волны, подобные тем, что заставляли колебаться первую мембрану. Так, человеческий голос был впервые передан Беллом по проводам (рис. 5).
Рис. 5. Устройство телефона Белла