Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца. Самоиндукция
Магнитный поток (Ф = B S cos α, Вебер, Вб). Открытие Фарадея (1831 г.). Закон электромагнитной индукции: E_i = - ΔФ / Δt. Правило Ленца. ЭДС индукции в движущемся проводнике: E_i = v B L sin α. Самоиндукция. Индуктивность катушки L (Генри, Гн). Энергия магнитного поля: W = (L I²) / 2.
Магнитный поток (поток магнитной индукции, Ф — греческая буква «фи») — скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции B на площадь плоского контура S и косинус угла α между вектором B и нормалью n к плоскости контура:
Ф = B · S · cos α.
В СИ магнитный поток измеряется в Веберах (Вб) в честь Вильгельма Вебера:
1 Вебер — поток однородного поля с индукцией 1 Тесла через площадку 1 м², перпендикулярную силовым линиям:
1 Вб = 1 Тл · 1 м².
Открытие электромагнитной индукции:
29 августа 1831 года великий английский физик Майкл Фарадей после 10 лет поисков сделал фундаментальное открытие: «Превратить магнетизм в электричество».
Суть явления электромагнитной индукции:
При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в этом контуре возникает электрический ток, называемый индукционным током. Причины возникновения тока не имеют значения: меняется ли индукция поля B, вращается ли рамка (меняется угол α) или деформируется контур (меняется площадь S). Главное условие — наличие изменения потока: ΔФ ≠ 0!
Анимированная модель: Явление электромагнитной индукции (Закон Фарадея)
Единица потока
Движение магнита
Возникновение индукционного тока в замкнутом контуре свидетельствует о действии в нем сторонних сил, создающих электродвижущую силу индукции (εi).
Закон Фарадея (закон электромагнитной индукции):
Электродвижущая сила индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур:
εi = - ΔФ / Δt = - Ф'(t).
Для катушки (соленоида), состоящей из N одинаковых витков, соединенных последовательно:
εi = - N · (ΔФ / Δt).
По закону Ома для замкнутой цепи сила индукционного тока равна:
Ii = εi / R = - (1 / R) · (ΔФ / Δt),
где R — омическое сопротивление проводящего контура.
Заряд, протекающий по контуру при изменении магнитного потока от Ф₁ до Ф₂:
q = Ii · Δt = |ΔФ| / R = |Ф₂ - Ф₁| / R.
Полный протекший заряд зависит исключительно от величины изменения магнитного потока ΔФ и не зависит от скорости этого процесса (времени Δt)!
ΔФ / Δt
Независимость от времени
Направление индукционного тока установил русский физик Эмилий Христианович Ленц в 1833 году на основе фундаментального закона сохранения энергии.
Правило Ленца:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим собственным магнитным полем ВСЕГДА противодействует тому изменению внешнего магнитного потока, которым он вызван!
Алгоритм применения правила Ленца:
1. Если внешний магнитный поток возрастает (ΔФ > 0, магнит приближается): индукционный ток направлен так, чтобы его собственное поле B' было направлено ПРОТИВОПОЛОЖНО внешнему полю B (B' ↑↓ B, контур отталкивает приближающийся магнит);
2. Если внешний магнитный поток убывает (ΔФ < 0, магнит удаляется): собственное поле индукционного тока направлено СОНАПРАВЛЕННО внешнему полю (B' ↑↑ B, контур удерживает и притягивает удаляющийся магнит).
Вихревые токи (токи Фуко):
При изменении магнитного потока в массивных сплошных проводниках (сердечники трансформаторов, маховики) индуцируются мощные замкнутые вихревые токи. Они вызывают сильный разогрев проводников (используется в индукционных плавильных печах) и электродинамическое торможение (магнитные тормоза скоростных поездов Сапсан и Maglev). Для предотвращения потерь сердечники электромашин собирают из тонких изолированных стальных пластин.
Принцип противодействия
Вихревые токи в металле
Определить направление внешнего поля B
Выяснить знак изменения потока ΔФ
Найти направление B' и ток по правилу буравчика
Рассмотрим прямой металлический проводник длиной L, движущийся со скоростью v в однородном магнитном поле B перпендикулярно силовым линиям.
Вместе с проводником движутся его свободные электроны. На каждый электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца: FЛ = e · v · B.
Сила Лоренца смещает электроны к одному концу проводника, создавая избыток отрицательного заряда, а на противоположном конце возникает избыточный положительный заряд. Возникает разделение зарядов и разность потенциалов.
Работа силы Лоренца по перемещению заряда q вдоль проводника длиной L:
A = FЛ · L = q · v · B · L.
По определению ЭДС ε = A / q, получаем формулу ЭДС индукции в движущемся проводнике:
εi = B · v · L · sin α,
где α — угол между векторами скорости проводника v и индукции поля B.
Принцип работы генератора переменного тока:
При равномерном вращении плоской проводящей рамки площадью S с угловой скоростью ω в магнитном поле B магнитный поток меняется по гармоническому закону:
Ф(t) = B · S · cos(ωt).
По закону Фарадея в рамке индуцируется переменная синусоидальная ЭДС:
εi(t) = - Ф'(t) = B · S · ω · sin(ωt) = Emax · sin(ωt),
где амплитуда ЭДС равна Emax = B · S · ω (для рамки из N витков: Emax = N · B · S · ω).
Сила Лоренца
Генератор переменного тока
Электрический ток I, протекающий по контуру, создает собственное магнитное поле, силовые линии которого пронизывают этот же контур. Собственный магнитный поток Ф прямо пропорционален силе тока:
Ф = L · I.
Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью (коэффициентом самоиндукции) контура.
В СИ индуктивность измеряется в Генри (Гн) в честь Джозефа Генри:
1 Генри — индуктивность такого контура, в котором при силе тока 1 Ампер возникает собственный магнитный поток в 1 Вебер: 1 Гн = 1 Вб / 1 А = 1 В · с / А.
Индуктивность длинного соленоида с сердечником: L = μ · μ₀ · n² · V, где n — плотность витков, V — объем соленоида.
Самоиндукция — явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при любом изменении силы тока в самом этом контуре:
εsi = - ΔФ / Δt = - L · (ΔI / Δt).
Самоиндукция препятствует мгновенному нарастанию тока при замыкании цепи и мгновенному спаду тока при размыкании цепи (экстратоки размыкания порождают мощную электрическую искру на контактах рубильника).
Энергия магнитного поля катушки с током:
При нарастании тока источник совершает работу против ЭДС самоиндукции, накапливая энергию в магнитном поле катушки:
Wм = (L · I²) / 2.
Объемная плотность энергии магнитного поля: wм = Wм / V = B² / (2 · μ · μ₀) (Дж/м³).
Аналог массы
Энергия магнитного поля
- 1. Магнитный поток и явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)~5 мин
- 2. Закон электромагнитной индукции Фарадея и ЭДС индукции~5 мин
- 3. Правило Ленца: направление индукционного тока и вихревые токи Фуко~5 мин
- 4. ЭДС индукции в движущихся проводниках. Принцип генератора~5 мин
- 5. Явление самоиндукции, индуктивность катушки и энергия магнитного поля~5 мин
