Какова природа ЭДС электромагнитной индукции?

Если проводник (подвижная перемычка контура на рис.177) движется в постоянном магнитном поле, то сила Лоренца, действующая на заряды внутри проводника, движущиеся вместе с проводником, будет направлена противоположно току, т. е. она будет создавать в проводнике индукционный ток противоположного направления (за направление электрического тока принимается движение положительных зарядов). Таким образом, возбуждение ЭДС индукции при движении контура в постоянном магнитном поле объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника.

Согласно закону Фарадея, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в случае неподвижного контура, находящегося в переменном магнитном поле. Однако сила Лоренца на неподвижные заряды не действует, поэтому в данном случае ею нельзя объяснить возникновение ЭДС индукции. Максвелл для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Циркуляция вектора E_і этого поля по любому неподвижному контуру L проводника представляет собой ЭДС электромагнитной индукции:

.

Вращение рамки в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 180).

Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (B =const) равномерно с угловой скоростью w=const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент временив,, равен

,

где a=w t - угол поворота рамки в момент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t =0a=0). При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции:

,

изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sinwt= 1 E _i максимальна, т. е.

определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся э. д. с. Полученное выражение можно записать в виде .

Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, которая в своем движении пересекает силовые линии магнитного поля, то в рамке возникает переменная ЭДС, изменяющаяся по гармоническому закону.

Из формулы вытекает, что E_max (следовательно, и ЭДС индукции) находится в прямой зависимости от величин w, В и S. В нашей стране принята стандартная частота тока n=w/(2p)=50 Гц, поэтому возможно лишь увеличение двух остальных величин. Для увеличения В применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью m. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 180.

Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных дли превращения электрической энергии в механическую.