Фарадей экспериментально обнаружил: при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, в нем возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией.
Опыты Фарадея:
1. Катушка, включенная в цепь источника тока вставлена в другую катушку, подключенную к амперметру. При замыкании и размыкании цепи внутренней катушки во внешней катушке возникает индукционный ток. Затем с помощью опытов Фарадей доказал, что ток возникает и при перемещении катушек друг относительно друга.
2. Перемещая вдоль катушки постоянный магнит вниз, увидим, что, пока магнит движется, стрелка гальванометра отклоняется, т. е. в катушке возникает электрический ток. Как только магнит останавливается, ток исчезает. При движении магнита в обратном направлении — вверх — электрический ток в катушке возникает вновь, но направление тока противоположно первому.
После многочисленных опытов Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнитного поля во времени. Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называют индукционным током. Строго говоря, при движении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток (который зависит от сопротивления), а определенная ЭДС.
Пусть проводник без тока длиной l движется в магнитном поле со скоростью υ.
Магнитное поле однородное. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка от нас. При движении проводника вправо свободные электроны, содержащиеся в нем, будут двигаться также вправо, т.е. возникает конвекционный ток. Направление этого тока обратно направлению движения электронов. На каждый движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. Заряд электрона — отрицательный, поэтому сила Лоренца направлена вниз. Под действием этой силы электроны должны двигаться вниз, в нижней части проводника l накапливаются отрицательные заряды, а в верхней — положительные. Образуется разность потенциалов φ1 — φ2, в проводнике возникает электрическое поле напряженностью Е, которое препятствует дальнейшему перемещению электронов. В момент, когда сила Fэл =е×Е, действующая на заряды со стороны этого электрического поля, станет равной по модулю силе Fл = e×υ×B×sin a действующей на заряды со стороны магнитного поля, т.е. при е×Е=e×υ×B×sin a, или Е=υ×B×sin a, заряды перестанут перемещаться. Напряженность электрического поля Е в движущемся проводнике длиной l и разность потенциалов φ1 — φ2 связаны между собой соотношением φ1 — φ2 = Е× l или φ1 — φ2 = υ×B× l ×sin a. Если такой проводник замкнуть, то по цепи пойдет ток. Таким образом, на концах проводника индуцируется ЭДС: Eинд = υ×B× l ×sin a. ЭДС индукции, возникающая в каком-либо замкнутом контуре, равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, взятую с обратным знаком. Таким образом, Eинд - закон электромагнитной индукции, или закон Фарадея (ЭД С индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром). Знак «минус» в отражает правило Ленца: индукционный ток всегда направлен таким образом, что его действие противоположно действию причины, вызывающей ток. При возрастании магнитного потока > 0, Eинд < 0, т.е. ЭДС индукции вызывает ток такого направления, при котором его магнитное поле уменьшает магнитный поток через контур.
При уменьшении магнитного потока < 0, Eинд > 0, магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.
Переменное магнитное поле порождает наведенное (индуцированное) электрическое поле. Ели магнитное поле постоянно, то индуцированного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами и его силовые линии замкнуты сами на себя. Это означает, что индуцированное электрическое поле является вихревым. Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется ЭДС.
Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля. Индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции, а не нулю. Направление вектора напряженности вихревого электрического поля устанавливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца.
Если массивный проводник, сопротивление которого мало, движется в магнитном поле, то в нем возникают короткозамкнутые индуцированные токи. Эти токи, сила которых может достигать больших значений, являются вихревыми. Открыл и изучил эти токи французский физик Ж. Фуко, по имени которого они и названы (токи Фуко). Сила вихревого тока зависит от формы куска металла, движущегося в магнитном поле, от свойств материала, из которого он выполнен, и от скорости изменения магнитного потока. Вихревые токи возникают и в неподвижных проводниках, помешенных в переменное магнитное поле. Свойство вихревых токов нагревать проводники используют в индукционных печах для сильного нагревания или даже плавления металлов.
Самоиндукция
Рассмотрим цепь, состоящую из источника тока E, реостата R, катушки индуктивности L, лампочек и ключа.
Если цепь замкнута, то первой загорится лампа 1, с некоторым запозданием загорится лампа 2. В момент размыкания цепи сначала гаснет лампа 10 а затем лампа 2. Это происходит потому, что при размыкании цепи магнитный поток в катушке уменьшается, вызывая в ней ЭДС самоиндукции. Ток самоиндукции в соответствии с законом Ленца препятствует убыванию магнитного потока, т. е. он направлен в катушке так же, как и убывающий ток. Явление возникновения индуцированного тока в цепи в результате изменения тока в этой цепи называют самоиндукцией.
Индукция В пропорциональна силе тока в катушке, поэтому магнитный поток, возникающий в катушке, также пропорционален силе тока: Ф =L×I. Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью контура. При изменении собственного магнитного потока в контуре, согласно закон электромагнитной индукции, возникает ЭДС самоиндукции Eси = ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока.
Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. Индуктивность L контура зависит от его геометрической формы, размеров и магнитных свойств среды, в которой он находится.
Для магнитного поля индуктивность L аналогична массе тела. Таким образом, индуктивность является мерой «инертности» контура по отношению к изменению в нем тока