Электромагнитная индукция. Правило винта. ЭДС индукция.

Магнитный поток.

Магнитным потоком Ф через некоторую поверхность S называется скалярная величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь этой поверхности и косинус угла между нормалью n к ней и направлением вектора магнитной индукции B:Ф=|B|Scosa. Если магнитное поле неоднородно, то поверхность S разбивается на элементарные площадки DS в пределах каждой из которых поле можно считать однородным. Тогда полный поток через эту поверхность равен сумме потоков вектора магнитной индукции через элементарные площадки. В СИ единицей магнитного потока является 1 вебер (Вб) – магнитный поток через поверхность 1 м², расположенную перпендикулярно направлению однородного магнитного поля, индукция которого равна 1 Тл: 1Вб=1В*с.

Электромагнитная индукция

Возникновение эдс в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через эту поверхность, ограниченную этим контуром, называется электромагнитной индукцией. Также эдс индукции, а следовательно, разность потенциалов возникает на концах разомкнутого проводника, движущеося в магнитном поле и пересекающего силовые линии поля. Опыт показывает, что эдм индукции не зависит от причин изменния магнитного потока, а определяется скоростью его изменения. Согласно закону Фарадея, эдс индукции определяется как предел отношения изменения магнитного потока DФ к промежутку времени Dt к нулю, или производной по времени магнитного потока E_инд=limD_t-->0 DФ/Dt= -Ф’.

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура. По правилу Ленца, возникающий в замкнутом контуре индукционный ток направлен так, что создаваемый им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремиться препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток. Явление ЭИ находит широкое применение в технике. Оно используется в индукционных генераторах тока, индукционных плавильных печах, трансформаторах, в счетчиках электроэнергии и др.

Закон ЭИ формулируется именно для ЭДС индукции, а не для силы индукционного тока: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: Ei=модуль(дельта Ф/дельта t). С учетом правила Ленца: Ei=-дельта Ф/дельта t. При изменении магнитного потока в катушке, имеющей n одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в n раз больше ЭДС одного витка.

Индукция магнитного поля

Индукцией магнитного поля называется характеристика способности магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током. Она является векторной физической величиной.

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Его можно определить по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением силы тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Линией магнитной индукции называется такая линии, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной.

Если во всех точках некоторой части пространства вектор индукции магнитного поля имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то магнитной поле в этой части пространства называют однородным. Линии магнитной индукции такого поля представляют собой параллельные линии, расположенные на одном расстоянии друг от друга.

Линии индукции магнитного поля прямого проводника с током представляют собой окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Центры окружностей лежат на оси проводника. Направление индукции в этом случае определяется следующим правилом: если смотреть вдоль проводника с током по направлению тока, то вектор магнитной индукции направлен по ходу часовой стрелки.

Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током показаны на рисунке. Вектор индукции входит в катушку с той стороны, с какой направление тока в витках катушки представляется соответствующим ходу часовой стрелки.

Линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца –они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Следовательно, магнитное поле –вихревое. Это позволяет сделать вывод, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.

Опытным путем установлено, что отношение максимального значения модуля силы, действующей на проводник с током (силы Ампера) к силе тока и к длине проводника, не зависит ни от силы в проводнике, ни от длины проводника. Его приняли за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен проводник –индукцию магнитного поля:

Единица индукции в этом случае определяется как индукция такого магнитного поля, в котором на 1 м проводника при силе тока 1 А действует сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла:

Если исследовать магнитное поле с помощью рамки с током, то модуль вектора магнитной индукции равен отношению момента сил, действующих на рамку с током со стороны поля, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:

.

За единицу магнитной индукции принята магнитная индукция такого поля, в котором на контур площадью 1 м² при силе тока 1 А действует со стороны поля максимальный момент сил 1 .

Индукция магнитного поля зависит от геометрической формы проводника. Модуль индукции поля, создаваемого бесконечным прямолинейным проводником:

, где r –расстояние от проводника.

Модуль индукции поля, созданного проводником в форме кругового витка радиуса R:

.

Модуль индукции поля, созданного соленоидом длиной l и числом витков N:

.

Во всех формулах: I –сила тока, –магнитная постоянная, – относительная магнитная проницаемость среды.

Электромагнитная индукция

Если электрический ток создает магнитное поле, то не может ли в свою очередь магнитное поле вызывать электрический ток в проводнике? Первым нашел ответ на этот вопрос Майкл Фарадей.

В 1831 г. он обнаружил, что в проводящем контуре при изменении магнитного поля возникает электрический ток, который назвали индукционным током.

Индукционный ток в катушке из металлической проволоки возникает при вдвигании магнита внутрь катушки и при выдвигании магнита из катушки, а также при изменении силы тока во второй катушке, магнитное поле которой пронизывает первую катушку. Индукционный ток также возникает при движении контура в постоянном магнитном поле.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитной индукцией.

Появление электрического тока в замкнутом контуре при изменениях магнитного поля, пронизывающего контур, свидетельствует о действии в контуре сторонних сил неэлектростатической природы или возникновении ЭДС индукции. Для определения ЭДС индукции введем физическую величину – магнитный поток.