Возникновение индукционного тока в витке
При поступательном движении витка в однородном магнитном поле поток магнитной индукции, пронизывавший его плоскость, не меняется, поэтому и εi=0.
Если же виток вращается вокруг оси, не параллельной B, то в этом случае при его вращении магнитный поток, пронизывающий его плоскость, непрерывно меняется (Рис.22.3). Если угловая скорость ω, тo и
. Подставив это в (22.1), находим
(22.4)
Т.о., в витке, равномерно вращающемся в магнитном поле, возбуждается э.д.с. индукции, изменяющаяся по гармоническому закону
(22.5)
Это и явилось основой для созданий генераторов переменного тока. Под действием εi в витке возникает индукционный ток, также изменяющийся по гармоническому закону
(22.6)
Явление самоиндукции
Э.д.с. индукции может возникать в контуре (проводе) и без воздействия внешнего магнитного поля. Она может возникать под воздействием меняющегося тока, текущего в самом контуре. Это явление получило название самоиндукции. Если в контуре течет ток i, то он создает индукцию поля В, линии которого пересекают плоскость контура (Рис.22.4). При этом магнитный поток Ф через площадь контура как и В будут пропорциональны току:
Ф=Li (22.7)
Коэффициент L не зависит от силы тока. Он определяется конфигурацией контура (провода) и называется его индуктивностью. Его называют также самоиндукцией или коэффициентом самоиндукции. Для примера вычислим индуктивность тонкого соленоида. Если его длина l, общее число витков N, площадь одного витка S, то индукция внутри соленоида равна
Магнитный поток через один виток равен BS, а через все N витков
Сопоставляя эту формулу с (22.7), находим
(22.8)
где n=N/l - число витков на единицу длины.
В СИ единица индуктивности генри (1Г) - индуктивность контура (провода), который при токе 1 А создает магнитный поток 1 Вб: 1Г=1Вб/1А.
При изменении тока в контуре из (22.1) и (22.7) находим возникающую э.д.с., которую называют э.д.с. самоиндукции εS:
(22.9)
т.e. э.д.с. самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока в контуре.
Магнитная проницаемость вещества
Опыт показывает, что индуктивность контура зависит и от свойств среды, в которой он находится. Так, если в соленоид вдвинуть железный сердечник, то его индуктивность намного возрастет. Величину равную
(22.10)
где L0- индуктивность контура в вакууме, a L - в среде, называют магнитной проницаемостью вещества.
Энергия магнитного поля
При размыкании цепи (Рис. 22.5) в ее замкнутом участке аГbа некоторое время будет течь ток за счет самоиндукции - экстраток размыкания I. Работа , совершаемая этим током за время dt, равна ,
откуда
(22.11)
Эта работа идет на нагревание проводников и сопровождается исчезновением магнитного поля. Т.о., проводник с индуктивностью L , по которому идет ток i, обладает энергией, сосредоточенной в окружающем его магнитном поле:
(22.12)
Выразим эту энергию через индукцию магнитного поля. Для этого найдем энергию магнитного поля внутри соленоида, для которого , здесь V=lS - объем. Подставляя эти выражения a (22.12), находим
(22.13)
Для однородного поля плотность энергии равна
(22.14)