Когда возникает электрический ток в катушке
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 в катушке возникает при перемещении постоянного магнита относительно катушки; при перемещении электромагнита относительно катушки; при перемещении сердечника относительно электромагнита, вставленного в катушку; при регулировании тока в цепи электромагнита; при замыкании и размыкании цепи.
Когда появляется индукционный ток в катушке
Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении. Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Чем можно вызвать появление индукционного тока
Практическое применение Если менять магнитное поле вблизи неподвижного замкнутого проводника, то причиной индукционного тока является вихревое электрическое поле. Если двигать замкнутый проводник вблизи неподвижного магнита, то причиной индукционного тока является сила Лоренца.
В каком случае индукционный ток не возникает
При вращении рамки 1 (задача 23.1.5) угол между линиями магнитной индукции (а, значит, и вектором индукции) и плоскостью рамки в любой момент времени равен нулю. Следовательно, магнитный поток через рамку 1 не изменяется (см. формулу (23.1)), и индукционный ток в ней не возникает.
Где будет больше индукционный ток в катушке или Реостате
В катушке индукционный ток будет значительно больше, чем в реостате, т. к. катушка имеет большее число витков и сердечник (обладает большей индуктивностью), чем реостат. Чем больше сила индукционного тока, тем большее противодействие он оказывает изменению силы тока, созданного источником.
Когда будет появляться индукционный ток
Раз изменяется электрический ток, будет изменяться магнитное поле. В момент перемещения скользящего контакта реостата изменяется магнитное поле, что приводит к появлению индукционного тока.
Как возникает электромагнитная индукция
Электромагнитная индукция это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем. То есть благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, и это замечательно.
Что порождает ток
Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, действуя на свободные заряды, создает электрический ток. Этот ток, будучи переменным, в свою очередь порождает переменное магнитное поле, создающее электрическое поле в том же проводнике, и т.
Чем отличается ток от индукционного тока
Электрический ток в замкнутом контуре, возникающий при изменении магнитного поля, называется индукционным. Индукционный ток, так же как и ток от гальванического элемента или аккумулятора, представляет собой упорядоченное движение электронов.
Как и от чего зависит индукционный ток
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.
Почему катушка с током отталкивается от магнита
Магнит будет взаимодействовать с катушкой либо притягиваясь, либо отталкиваясь от нее. Это будет возникать вследствие того, что катушка с проходящим по ней током, будет подобна магниту с двумя полюсами. Направление индуцируемого тока будет определять, где у катушки будет находиться какой из полюсов.
Что такое индукция простыми словами
Индукция — это вид обобщения, связанный с предвосхищением результатов наблюдений и экспериментов на основе данных опыта. В индукции данные опыта наводят на общее, поэтому индуктивные обобщения рассматриваются обычно как опытные истины или эмпирические законы.
В каком кольце возникает индукционный ток
При приближении магнита к кольцу без прорези возрастает магнитный поток сквозь площадь кольца. Так как кольцо замкнуто, то в нем возникает индукционный ток.
Что происходит при увеличении силы тока В катушке
При увеличении тока в катушке на dI, пронизывающий ее поток возрастает на Электрический ток в газах. Вольтамперная характеристика (ВАХ) газового разряда и ее физический анализ. Виды электрического разряда в газе.
Как найти энергию В катушке
Экспериментально выведена формула энергии магнитного поля катушки с током: E m = L I 2 2, где (L) — индуктивность катушки (Гн), (I) — сила тока в катушке (А). Энергия магнитного поля равна половине произведения индуктивности катушки на квадрат силы тока в ней.
Как направлен индукционный ток В катушке
Направление индуцируемого тока будет определять, где у катушки будет находиться какой из полюсов. Если приближать к катушке магнит, то в ней будет возникать индукционный ток такого направления, что катушка обязательно будет отталкиваться от магнита.
Почему в рамке возникает индукционный ток
Если ось вращения рамки будет перпендикулярна направлению силовых линий магнитного поля, то через
Любое изменение в силе тока, протекающего через катушку с большим количеством витков, вызывает явление электромагнитной индукции. Это происходит в случае увеличения тока, когда индукционный ток, порождённый магнитным полем, противодействует этому увеличению.
В каких случаях увеличивается сила индукционного тока?
Если внешний ток увеличивается, то создаваемое им магнитное поле и его поток также увеличиваются. Это приводит к появлению индукционного тока, который направлен в сторону, противоположную основному току.
Когда происходит явление самоиндукции?
Самоиндукция возникает при изменении тока в контуре, что приводит к изменению магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.
Основной закон электромагнитной индукции
Согласно закону электромагнитной индукции, индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) в контуре равна скорости изменения магнитного потока через этот контур, с отрицательным знаком.
Как получить индукционный электрический ток?
Индукционный ток можно получить путем перемещения магнита и катушки относительно друг друга, изменения силы тока в одной из катушек, замыкания и размыкания цепи, или перемещения сердечника.
В каких случаях возникает индукционный ток?
Индукционный ток возникает только в замкнутом контуре, находящемся в изменяющемся магнитном поле.
Самоиндукция и индуктивность
Самоиндукция – явление возникновения ЭДС самоиндукции в проводнике, включенном в переменный ток. Индуктивность контура определяется как коэффициент самоиндукции.
Вихревое электрическое поле при электромагнитной индукции
При изменяющемся магнитном поле в точке пространства возникает вихревое электрическое поле, независимо от наличия проводящего контура.
ИНДУКЦИО́ННЫЙ, физический термин описывает явления, возникающие вследствие индукции.
Определение индукционного тока
Индукционный ток определяется любым изменением силы тока в контуре, вызывая электромагнитную индукцию.
Направление индукционного тока в контуре
Направление индукционного тока в контуре определяется правилом Ленца: Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.
Явление электромагнитной индукции
Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике (замкнутой цепи) возможно при помощи обратного преобразования из магнитного потока в электрический. Это явление называется электромагнитной индукцией.
Определение направления индукционного тока
Если держать ладонь правой руки так, чтобы в ее направлении входили силовые линии поля, а большой палец указывает направление движения проводника, тогда остальные четыре пальца показывают направление индуктированной ЭДС и направление электротока в проводнике.
Переменный индукционный ток
Индукционный ток является переменным, что означает, что по катушке течёт индукционный ток, у которого изменяется как модуль, так и направление с течением времени. Такой ток называется переменным током.
Возникновение индукционного тока в кольце
Величина индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушку. Направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток, пронизывающий катушку. Направление индукционного тока зависит от направления магнитных линий, пронизывающих катушку.
План урока Магнитное поле для 9 класса
- Магнетизм
- Электромагнитное поле
- Электромагнитная индукция
- Сила Ампера
Приглашаем учителей физики присоединиться к обучению школьников и зарабатывать от 40 до 100 000 рублей в месяц!
Основные характеристики магнитного поля
Магнитное поле создается движущимися зарядами и действует только на движущиеся заряды или на токи. Основная характеристика магнитного поля — это вектор индукции магнитного поля, который направлен от южного полюса к северному по стрелке компаса.
Формула для определения магнитной индукции:
[ B = \frac {F}{Il} ]В системе СИ единицей магнитной индукции является 1 Тесла (1 Тл).
Главное свойство правил магнитного поля — их обратимость. Направления вектора магнитной индукции и направление силы тока можно менять между собой, и правило останется.
Внимательно рассмотрите рисунки и сформулируйте упомянутые правила для каждого случая.
Правило буравчика 1
Правило буравчика 2
Правило правой руки 1
Правило правой руки 2
Способ из старого учебника
Как и в случае с электрическим полем, магнитное поле изображают с помощью силовых линий, а мы проведем эксперимент.
Сколько платят в Skyeng преподавателю физики?
Из чего складывается доход учителей, рассказываем в специальной статье.
Эксперимент
Сформулируем свойства силовых линий магнитного поля:
Магнитное поле трех проводников с током
Итоги: доказали наличие магнитного поля вокруг движущихся электрических зарядов, получили картины различных магнитных полей, сформулировали свойства силовых линий магнитного поля.
Сила Ампера
Сила Ампера — это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.
Модуль силы Ампера FА равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится проводник с током, длины этого проводника l, силы тока в нем I и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля sinα: FА=B∙I∙l∙sinα
Этой формулой можно пользоваться:
Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки
Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока, тогда отогнутый на большой палец укажет направление силы Ампера.
Ампер и параллельные проводники
Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Андре Мари Ампером.
Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток, и наоборот.
Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока — ампера.
Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2∙10-7 Н на каждый метр длины.
Сила Лоренца
Понимание магнитного поля строится на двух положениях: движущиеся заряды создают магнитное поле, и магнитное поле действует на движущиеся заряды. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца.
Сила Лоренца— это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу.
Для определения направления силы Лоренца применяют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направления скорости движения положительно заряженной частицы, тогда отогнутый на большой палец в плоскости ладони укажет направление силы Лоренца. Для отрицательной частицы четыре вытянутых пальца направляют против скорости движения частицы.
Движение частиц в магнитном поле
- Если скорость заряженной частицы массой направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по прямой с постоянной скоростью (сила Лоренца равна нулю).
- Если скорость заряженной частицы массой перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по радиусу окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции.
- Если скорость
заряженной частицы массой m направлена под углом к вектору индукции магнитного поля
, то частица будет двигаться по винтовой линии радиуса R и шагом h.
Действие силы Лоренца широко используют в различных электротехнических устройствах:
Действие магнитного поля на рамку с током
Рассмотрим проволочную проводящую рамку, находящуюся во внешнем магнитном поле
. Если в этой рамке создать электрический ток I, то на рамку со стороны магнитного поля начнут действовать силы Ампера
Если внешнее магнитное поле является однородным, то равнодействующая всех сил Ампера будет равна нулю, однако момент всех сил Ампера в нуль обращаться не будет, что означает то, что рамка начнет вращаться (создается вращающий момент, и рамка поворачивается в положение, в котором вектор
На данном факте основано действие электродвигателя постоянного тока (электромотора).
Если внешнее магнитное поле является неоднородным, то равнодействующая всех сил Ампера и момент всех сил не будут равны нулю, то есть свободная рамка начнет поступательно двигаться плюс вращаться (неоднородное магнитное поле ориентирует, а также притягивает или отталкивает рамку с током).
Магнитные свойства вещества
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции
при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции
Магнитная проницаемость вещества μпоказывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе
больше, чем вектор магнитной индукции
0 в вакууме, то есть:
Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами:
Магнитное поле Земли
Обойти вниманием самый большой магнит на планете, на которой мы живем было бы непростительно.
Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, около северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, около берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют).
Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (так называемые вековые вариации). Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии).
Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — северные сияния. В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра.
Магнитные бури — это значительные изменения магнитного поля Земли под действием усиленного солнечного ветра в результате вспышек на Солнце и сопровождающих их выбросов потоков заряженных частиц.
Магнитные бури продолжаются обычно от 6 до 12 часов, а затем характеристики земного поля снова возвращаются к норме. Но за столь короткое время магнитная буря сильно влияет на радиосвязь, линии электросвязи, людей.
Кстати, человечество начало использовать магнитное поле Земли уже в начале XVII–XVIII вв. Тогда получает широкое распространение в мореходстве компас (магнитная стрелка).
Магнитное поле Земли служит многим живым организмам для ориентации в пространстве.
Напряжение в проводнике, движущемся в магнитном поле
С помощью силы Лоренца можно объяснить явление поляризации и возникновения ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике.
Если поместить проводник на рельсы, с которыми у него будет электрический контакт, а магнитное поле направить вертикально к плоскости, в которой находится проводник на рельсах, то, если замкнуть рельсы со стороны, противоположной от проводника и перемещать проводник с постоянной скоростью, — в проводнике появится электрический ток. Причина этого тока — сила Лоренца, действующая на свободные электроны в проводнике, которые движутся вместе с проводником в магнитном поле.
Этот эксперимент можно провести в домашних условиях
Магнитный поток
Магнитный поток (поток вектора магнитной индукции) — это скалярная величина, которая количественно описывает прохождение магнитного поля через некоторую поверхность. Обозначается буквой Ф.
Магнитный поток Ф, пронизывающий площадь контура, зависит от:
Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура α=0о, то магнитный поток максимален и равен Фmax=B∙S
Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура α=90о, то магнитный поток равен нулю Ф=0.
Электромагнитная индукция — это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем.
В настоящее время в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции. Например, в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках и многих других устройствах.
Благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, а до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока кроме как от источников тока.
Опыт № 1
Если в соленоид (катушка индуктивности), который замкнут на гальванометр, вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания мы видим отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток). При этом отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита имеют противоположные направления.
Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При смене в опыте полюсов магнита направление отклонения стрелки также изменится. Для получения индукционного тока можно оставлять магнит неподвижным, тогда нужно относительно магнита перемещать соленоид.
Опыт № 2
Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток. В моменты включения или выключения тока наблюдается отклонение стрелки гальванометра, а также в моменты его уменьшения или увеличения, а также при перемещении катушек друг относительно друга. Направления отклонений стрелки гальванометра также имеют противоположные направления при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, приближении или удалении катушек.
Исследуя результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к заключению, что индукционный ток возникает всегда, когда в опыте осуществляется изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (магнитного потока).
Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также появляется индукционный ток. В этом случае индукция магнитного поля вблизи контура остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.
Открытие явления электромагнитной индукции дало возможность получать электрический ток с помощью магнитного поля и подтолкнуло разработку теории электромагнитного поля.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
При изменении полного магнитного потока Ф, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции:
— скорость изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот контур.
Знак «-» в законе показывает то, как ориентирована возникающая ЭДС в контуре. Это так называемое правило Ленца.
По формуле Ф=B*S*cosα для магнитного потока отчетливо видно, что поток меняется:
Во всех этих случаях по закону Фарадея в контуре будет индуцироваться ЭДС индукции.
Правило Ленца: «ЭДС индукции, возникающая в контуре, ориентирована так, что индукционный ток, который она создает, направлен так, чтобы ослабить действие причины, возбуждающей эту ЭДС, а стало быть, и индукционный ток».
Рисунок иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.
В этом примере
Итоги
Выполнили все цели урока, провели несколько познавательных эксперимента, узнали новые физические величины и явления.
Эксперты Skyeng и Skysmart подготовили для вас методические подарки.
Выбирайте те, что нужны, или заберите все!
Взаимная связь электрических и магнитных полей была установлена выдающимся английским физиком М. Фарадеем в 1831 г. Он открыл явление электромагнитной индукции. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину Ф = BScosα
где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором B и нормалью n к плоскости контура.
Явление электромагнитной индукции Фарадей исследовал с помощью двух изолированных друг от друга проволочных спиралей, намотанных на деревянную катушку. Одна спираль была присоединена к гальванической батарее, а другая — к гальванометру, регистрирующему слабые токи. В моменты замыкания и размыкания цепи первой спирали стрелка гальванометра в цепи второй спирали отклонялась.
Опыты Фарадея по исследованию ЭМИ можно разделить на две серии:
1. возникновение индукционного тока при вдвигании и выдвигании магнита (катушки с током);
Объяснение опыта: При внесении магнита в катушку, соединенную с амперметром в цепи возникает индукционный ток. При удалении так же возникает индукционный ток, но другого направления. Видно, что индукционный ток зависит от направления движения магнита, и каким полюсом он вносится. Сила тока зависит от скорости движения магнита.
2. возникновение индукционного тока в одной катушке при изменении тока в другой катушке.
Объяснение опыта: электрический ток в катушке 2 возникает в моменты замыкания и размыкания ключа в цепи катушки 1. Видно, что направление тока зависит от того, замыкаюи или размыкают цепь катушки 1, т.е. от того, увеличивается (при замыкании цепи) или уменьшаетя (при размыкании цепи) магнитный поток. пронизывающий 1-ю катушку.
Проводя многочисленные опыты Фарадей установил, что в замкнутых проводящих контурах электрический ток возникает лишь в тех случаях, когда они находятся в переменном магнитном поле, независимо от того, каким способом достигается изменение потока индукции магнитного поля во времени.
Ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называют индукционным.
Строго говоря, при движении контура в магнитном поле генерируется не определенный ток (который зависит от сопротивления), а определенная э. д. с.
Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции Eинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:
Эта формула выражает закон Фарадея: э. д. с. индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Знак минус в формуле отражает правило Ленца.
В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.
ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке.
На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.
По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.
Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.
1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках.. Электродвижущая сила в цепи — это результат действия сторонних сил, т.е. сил неэлектрического происхождения. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы, под действием которой происходит разделение зарядов, в результате чего на концах проводника появляется разность потенциалов.
Рассмотрим в качестве примера возникновение ЭДС индукции в прямоугольном контуре, помещенном в однородное магнитное поле В, перпендикулярное плоскости контура. Пусть одна из сторон контура длиной l скользит со скоростью v по двум другим сторонам.
На свободные заряды на этом участке контура действует сила Лоренца. Составляющая силы Лоренца, действующая на свободный электрон, связанная с переносной скоростью v зарядов, направлена вдоль проводника. Эта составляющая указана на рис. 3. Это она играет роль сторонней силы. Ее модуль равен FЛ = eυB
Э. д. с. индукции в проводнике характеризует работу по перемещению единичного положительного заряда вдоль проводника.
Работа силы FЛ на пути l равна A = FЛ · l = eυBl
По определению ЭДС
В других неподвижных частях контура сторонняя сила равна нулю. Соотношению для инд можно придать привычный вид. За времы Δt площадь контура изменяется на ΔS = lυΔt. Изменение магнитного потока за это время равно ΔΦ = BlυΔt. Следовательно,
Если сопротивление всей цепи равно R, то по ней будет протекать индукционный ток, равный
Iинд = инд/R.
За время Δt на сопротивлении R выделится джоулево тепло
Возникает вопрос: откуда берется эта энергия, ведь сила Лоренца работы не совершает! Этот парадокс возник потому, что мы учли работу только одной составляющей силы Лоренца. При протекании индукционного тока по проводнику, находящемуся в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, связанная с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Эта составляющая ответственна за появление силы Ампера FA . Для случая, изображенного на рис. 3, модуль силы Ампера равен FA = IBl. Сила Ампера направлена навстречу движения проводника; поэтому она совершает отрицательную механическую работу. За время Δt эта работа Aмех равна
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Джоулево тепло в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
При движении проводника вправо свободные электроны, содержащиеся в нем, будут двигаться также вправо, т. е. возникает конвекционный ток. Направление этого тока обратно направлению движения электронов.
На каждый движущийся электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца Fл. Заряд электрона — отрицательный. Поэтому сила Лоренца направлена вниз.
Под действием этой силы электроны будут двигаться вниз, поэтому в нижней части проводника l накапливаются отрицательные заряды, а в верхней — положительные. Образуется разность потенциалов φ1 – φ2, в проводнике возникает электрическое поле напряженностью Е, которое препятствует дальнейшему перемещению электронов.
В момент, когда сила Fэл = еЕ, действующая на заряды со стороны этого электрического поля, станет равной по модулю силе Fл = evBsinα, действующей на заряды со стороны магнитного поля, т.е. при еЕ = evBsinα или Е = vBsinα , заряды перестанут перемещаться.
Напряженность электрического поля Е в движущемся проводнике длиной l и разность потенциалов φ1 – φ2 связаны между собой соотношением
φ1 – φ2 = El
φ1 – φ2 = vBlsinα
Если такой проводник замкнуть, то по цепи пойдет ток. Таким образом, на концах проводника индуцируется э.д. с.
εинд = vBlsinα
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике. Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся магнитным полем, не является потенциальным. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом (1861 г.).
Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной: в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца; в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия электрических генераторов. Если равномерно вращать проволочную рамку в однородном магнитном поле, то возникает индуцированный ток, периодически изменяющий свое направление. Даже одиночная рамка, вращающаяся в однородном магнитном поле, представляет собой генератор переменного тока. Более сложные генераторы обычно являются улучшенными вариантами такого устройства.