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 К_1.

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 Е_инд.

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.