40) Явище електромагнітної індукції
Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні електричного струму в провідному контурі, який або покоїться в змінному в часі магнітному полі, або рухається в постійному магнітному полі таким чином, що число ліній магнітної індукції, що пронизують контур, змінюється.
чим швидше зміниться число ліній магнітної індукції, тим більше виникає струм;
незалежність явища виникнення індукційного струму від причини зміни числа ліній магнітної індукції.
Практичне значення явища:
Фарадей першим сконструював недосконалу модель генератора електричного струму, що перетворює механічну енергію обертання в ток, що складається з мідного диска, що обертається між полюсами сильного магніту. Зафіксований гальванометром ток був слабкий, але було зроблено найважливіше: знайдений принцип побудови генераторів струму.
М. Фарадей (1791-1867) відкрив явище електромагнітної індукції. Для розкриття сутності цього явища введемо поняття потоку вектора магнітної індукції через поверхню площею дельта S. Ця величина дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції В на площу AS і косинус кута а між векторами В і n (нормаллю до поверхні):
Твір В • cos а = Вn є проекцією вектора магнітної індукції на нормаль до елемента площі. Тому дельта Ф = Вп • AS. Потік може бути як позитивним, так і негативним залежно від кута а.
Якщо магнітне поле однорідне, то потік через плоску поверхню площею S дорівнює:
У замкнутому провідному контурі виникає струм при зміні магнітного потоку, що пронизує поверхню, обмежену цим контуром. Цей струм отримав назву індукційного струму, а саме явище виникнення струму в провідному контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує поверхню, обмежену контуром, назвали явищем електромагнітної індукції.
В електричному ланцюзі з'являється струм, якщо на вільні заряди діють електричні сили. Отже, при зміні магнітного потоку, що пронизує поверхню, обмежену контуром, в контурі виникає електрорушійна сила, ЕРС індукції еi Закон електромагнітної індукції стверджує, що ЕРС індукції в замкнутому контурі чисельно дорівнює по модулю швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром:
Напрямок індукційного струму визначається правилом (законом) Е. X. Ленца (1804-1865), яке стверджує: що виникає в замкнутому контурі індукційний струм має такий напрям, що створений ним магнітний потік через поверхню, обмежену контуром, прагне перешкоджати тому зміни потоку, яке породжує даний струм. Закон Ленца є наслідок закону збереження енергії.
Дж. Максвеллом було висловлено наступне фундаментальне властивість магнітного поля: змінюючись в часі, магнітне поле породжує електричне поле. Це електричне поле має зовсім іншу структуру, ніж електростатичне. Лінії напруженості виник електричного поля являють собою замкнуті лінії, подібні до ліній індукції магнітного поля. Таке поле називають вихровим електричним полем. Вихровий електричне поле діє на електричні заряди, так само як і електростатичне F = q • Е, де E - напруженість вихрового поля. На відміну від статичного або стаціонарного електричного поля робота вихрового поля на замкнутому шляху не дорівнює нулю. Вихровий електричне поле, так само, як і магнітне, непотенційного.
Робота вихрового електричного поля по переміщенню одиничного позитивного заряду уздовж замкнутого нерухомого провідника чисельно дорівнює ЕРС індукції в цьому провіднику.
Якщо провідник довжиною l переміщати в магнітному полі з індукцією В, спрямованої перпендикулярно швидкості переміщення, то магнітна сила Лоренца розділяє електричні заряди провідника і між його кінцями виникає ЕРС індукції, рівна ei = lvE.
Виникнення змінюється магнітного поля створює ЕРС індукції в тому контурі, по якому тече струм, що створює це змінюється поле. Таке явище назвали самоіндукцією.
Магнітний потік, що проходить через контур, прямо пропорційний силі струму в контурі:
Фізична величина, що дорівнює відношенню магнітного потоку, що проходить через контур, до сили струму в контурі, називається індуктивністю цього контуру:
ЕРС, що виникає в контурі, при зміні сили струму, що протікає по контуру, називається ЕРС самоіндукції.
Згідно із законом електромагнітної індукції ЕРС самоіндукції дорівнює
За одиницю індуктивності в СІ приймається 1 генрі (1 Гн), це індуктивність такого контуру, в якому при рівномірному зміні сили струму в ланцюзі зі швидкістю 1 А за 1 з виникає ЕРС самоіндукції, що дорівнює 1 В: