Явление электромагнитной индукции, опыты Фарадея.
В 1831 г. М. Фарадеем экспериментально было обнаружено, что в замкнутом контуре возникает электрический ток при изменении магнитного потока, пронизывающего его. Это явление было названо электромагнитной индукцией. Принципиальная схема опытов Фарадея (рис.17.1): на стержень намотаны два длинных куска медного провода. Концы одного из них присоединены через ключ к батарее элементов, концы другого к гальванометру. Если в первой катушке I = const, во второй катушке ток отсутствует. Но при замыкании и размыкании ключа К стрелка гальванометра отклоняется, а затем быстро возвращается в исходное положение, т. е. в катушке с гальванометром возникает кратковременный ток, называемый индукционным; направление этого тока противоположно при замыкании и размыкании ключа Другие опыты Фарадея (рис.17.2): Если концы катушки К1 замкнуть на батарею, то по ней идет постоянный ток I. Катушка К2 замкнута на гальванометр. Если катушку К1 приближать или удалять от катушки К2, в последней возникает индукционный ток. Аналогично, если двигать катушку К2 относительно К1. При перемещении магнита относительно катушки, в ней возникает индукционный ток. Опыты Фарадея показали, что причиной возникновения индукционного тока является изменение магнитного потока, пронизывающего катушку. Это явление получило название электромагнитной индукции. Индукционный ток в замкнутой цепи может возникнуть только под действием сторонних сил. Соответствующая им ЭДС называется электродвижущей силой электромагнитной индукции Еинд. Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах возникает электрический ток при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур. Ток, возникающий при электромагнитной индукции, называют индукционным. Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) – ЭДС индукции численно равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур: E i= , где Ф = В S cos a– магнитный поток. Выражение для индукционного тока: E i/ R = . Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца. Индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызывающей ток (правило Ленца). Знак минус в формуле отражает закон Ленца. При возрастании магнитного потока получаем, что: E i<0, I <0; при уменьшении магнитного потока имеем: Þ E i>0, I >0. Таким образом, переменное магнитное поле вызывает появление индуцированного электрического поля. Это поле является вихревым. Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты сами на себя в отличие от линий напряженности электростатического поля. ЭДС электромагнитной индукции в электрической цепи может возникать при изменении в ней электрического тока. Эта ЭДС называется ЭДС самоиндукции. Это частный случай электромагнитной индукции. ЭДС самоиндукции определяется из закона Фарадея: E si= Магнитный поток, сцепленный с контуром, всегда пропорционален силе тока в нем: . Коэффициент пропорциональности L называют коэффициентом самоиндукции (индуктивностью контура). Единица индуктивности – генри (Гн). Индуктивность – одна из основных характеристик цепи переменного тока. Подставляя в формулу закона Фарадея, получаем E si= Если контур представляет собой соленоид, содержащий N витков, то E si= = . В результате самоиндукции при замыкании цепи сила тока в соленоиде никогда сразу не достигает максимального значения, а нарастает постепенно. При размыкании цепи возникает индукционный ток, идущий в том же направлении, что и основной, и проявляющийся в виде искры на контактах рубильника. Индуктивность L зависит от формы и размеров соленоида, а также от магнитных свойств окружающей среды. Индуктивность соленоида, т.е. катушки, длина l которой много больше ее диаметра , где n=N/ l.
|