Электромагнитная индукция (ЭМИ).

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.
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Φ = B ·N ·S · cos α, где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором B и нормалью (перпендикуляром) n к плоскости S, N - число витков.

Определение магнитного потока нетрудно обобщить на случай неоднородного магнитного поля и неплоского контура. 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: 1 Вб= 1 Тл · 1 м²

Фарадей бнаружил, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает индукционный ток. Индукционный ток в катушке возникает при замыкании и размыкании цепи. При замыкании: ;    при размыкании: .

Появление тока в замкнутом контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектрической природы или о возникновении ЭДС индукции  (E_i ).

Индукционный ток в катушке возникает при введении магнита в полость катушки и его выведении из нее.
Явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Правило Ленца

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток (правило Ленца).

При  определении направления индукционного тока нужно:
1.Определить направление внешнего магнитного потока B_м.
2.Выяснить как он изменяется. Растет или убывает.

3.Используя правило Ленца определить направление вектора магнитной индукции индукционного тока B_i. Если магнитный поток растет, то B_i препятствует росту B_м, т.е. B_i. направлен противоположно B_м . Если магнитный поток убывает, то B_i препятствует убыванию B_м, т.е. B_i направлена в ту же сторону, что и B_м.

4.Зная направлениеB_i, используя правило буравчика с правой нарезкой определить направление индукционного тока.

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции Eинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
 .

Эту формулу называют 1 законом Фарадея для ЭМИ или законом ЭМИ. Правая часть - это скорость изменения магнитного потока пронизывающего контур площадью S.

- магнитный поток можно изменять, меняя значение вектора мангитной индукции В.

- магнитный поток можно изменять, меняя площадь, которую пронизывают вектора мангитной индукции В.

- магнитный поток можно изменять, меняя количество витков катушки.

- магнитный поток можно изменять, меняя угол, под которым вектора магнитной индукции пронизывают площадь витка. Данный способ самый простой. Используется в работе электродвигателя, когда ротор (подвижная катушка) вращается в магнитном поле, созданным статором (неподвижный магнит).

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что ЭДС индукции  (E_i ) и имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

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 сторонней силы.

Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле В перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью по двум другим сторонам (рис.).

На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Одна из составляющих этой силы, связанная с переносной скоростью υ зарядов, направлена вдоль проводника (зелёная стрелка). Она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен F_л = eυB.

Работа силы F_л на пути l равна A =F_л · l = eυBl .  По определению ЭДС , где q₀= e - заояду электрона (т.к. в твёрдых проводниках ток создают электроны). Подставляя все вышеимеющиеся формулы, получим =υBl. Если вектор магнитной индукции будет направлен относительно проводника с током под углом, то формулы будет выглядеть

= υBlsin α. Т.е. если проводник движется в магнитном поле, то на его концах всегда возникает ЭДС индукции (разность потенциалов).

 

Вернуться к конспектам урока