Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 17. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції

Як ви вже знаєте, електричне поле створюється електричними зарядами, а магнітне поле — рухомими зарядами, тобто електричним струмом. Між ними існує дуже тісний взаємозв’язок. Магнітне поле, що змінюється в часі, породжує електричне поле, а змінне електричне поле породжує магнітне. Без цього зв’язку між полями різноманітність виявів електромагнітних сил не була б такою широкою, якою вона є насправді. Не існувало б ані радіохвиль, ані світла.

Перший вирішальний крок у відкритті нових властивостей електромагнітних взаємодій зробив Майкл Фарадей. Він був упевнений в єдиній природі електричних і магнітних явищ. Завдяки цьому фізик зробив відкриття, на якому ґрунтується будова всіх генераторів електростанцій світу, які перетворюють механічну енергію в енергію електричного струму. Це відкриття було зроблено в 1831 р. й отримало назву явище електромагнітної індукції.

Явище електромагнітної індукції — це виникнення електричного струму в замкнутому провідному контурі, який або розміщено нерухомо в змінному магнітному полі, або переміщується в постійному магнітному полі так, що кількість ліній магнітної індукції, які перетинають контур, змінюється.

Явище електромагнітної індукції Фарадей досліджував за допомогою двох ізольованих одна від одної дротяних спіралей, намотаних на дерев’яні котушки (мал. 1.85). Одну спіраль було з’єднано з гальванічною батареєю, а другу — з гальванометром, який реєструє слабкі струми. У моменти замикання та розмикання кола першої спіралі стрілка гальванометра в колі другої спіралі відхилялась.

Мал. 1.85

Виконавши безліч дослідів, Фарадей встановив, що в замкнених провідних контурах електричний струм виникає тільки тоді, коли вони розміщені в змінному магнітному полі, незалежно від того, як змінюється із часом потік індукції магнітного поля.

Струм, який виникає під час явища електромагнітної індукції, називають індукційним.

Індукційний струм у котушці з металевого дроту виникає також під час зміни сили струму в другій котушці, магнітне поле якої пронизує першу котушку. Індукційний струм виникає також під час руху котушки відносно нерухомого постійного магніту. Якщо з’єднана з гальванометром котушка рухається повільно в однорідному полі, то індукційний струм не виникає, бо кількість силових ліній, що перетинають котушку, весь час залишається незмінною.

Поява електричного струму в замкненому контурі під час зміни магнітного поля, яке його пронизує, свідчить про дію в контурі сторонніх сил неелектростатистичної природи або про виникнення ЕРС індукції. Явища електромагнітної індукції кількісно описують на основі встановлення зв’язку між ЕРС індукції і магнітним потоком. Ця величина залежить від значень вектора не в одній точці, а в усіх точках поверхні, обмеженої плоским замкненим контуром.

Закон електромагнітної індукції сформульовано саме для ЕРС, оскільки за такого формулювання він виражає суть явища, незалежного від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм. Згідно із законом електромагнітної індукції:

ЕРС індукції в замкненому контурі дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, що обмежена контуром:

Ця формула описує фундаментальний закон природи — основний закон електромагнітної індукції, його ще називають законом Фарадея.

Під час проведення дослідів з електромагнітної індукції можна помітити, що стрілка приладу відхиляється то в один бік, то в другий, що свідчить про різні напрямки індукційного струму (мал. 1.86, а, б).

Мал. 1.86

Російський учений Емілій Ленц застосував до явища електромагнітної індукції закон збереження і перетворення енергії і сформулював правило:

індукційний струм, що виникає в замкненому контурі, протидіє зміні магнітного потоку, який збуджує цей струм.

Користуючись правилом Ленца можна визначити напрям індукційного струму. Правило Ленца є виявом закону збереження і перетворення енергії в електромагнітних процесах. Енергія індукційного струму в провіднику дорівнює тій роботі, що виконується з подолання протидії магнітного поля, створеного індукційним струмом.

Застосуємо це правило до закону електромагнітної індукції.

На малюнку 1.87 зображено замкнений контур. Додатним вважатимемо напрям обходу контура проти руху годинникової стрілки. Перпендикуляр до контура n утворює правий гвинт з напрямком обходу. Нехай магнітна індукція B напрямлена вздовж перпендикуляра до контура і із часом збільшується.

Мал. 1.87

Згідно з правилом Ленца індукційний струм створює магнітний потік Ф' < 0. Силові лінії магнітного поля індукційного струму зображено на малюнку 1.87 штрихом. Отже, цей струм І згідно з правилом свердлика напрямлений за рухом годинникової стрілки (проти напрямку додатного обходу), і ЕРС індукції від’ємна. Тому в рівнянні електромагнітної індукції має стояти знак мінус, який вказує, що Ei і

мають різні знаки:

Якщо в з’єднаних послідовно контурах відбуваються однакові зміни магнітного потоку, то ЕРС індукції в них дорівнює сумі ЕРС індукції в кожному з контурів. Оскільки змінюється магнітний потік у котушці, що складається з N однакових витків провідника, то загальна ЕРС індукції буде в N разів більшою від ЕРС індукції в окремому контурі:

Це рівняння може набувати й іншого вигляду залежно від характеру зміни магнітного потоку. Для випадку нестаціонарного магнітного поля, коли вектор індукції магнітного поля змінюється із часом за незмінних площі контуру та його орієнтації (S = const, α = const):

У разі зміни орієнтації поля (B = const) або зміни орієнтації контура в стаціонарному полі (S = const):

де α1 і α2 — кути між перпендикуляром до контура і вектором індукції в початковий і кінцевий моменти часу.

Якщо магнітне поле стаціонарне (B = const), а орієнтація контуру незмінна (α2 = const), то ЕРС індукції може виникати внаслідок зміни площі контуру, її розраховують за формулою:

де S1 і S2 — площі контура на початку і наприкінці, наприклад, руху ділянки контуру.

Закон Фарадея дав змогу пояснити виникнення вихрових струмів. Вихрові струми, струми Фуко, названі на честь Леона Фуко, вихрові індукційні струми, які виникають у масивних провідниках при зміні магнітного потоку, який їх пронизує. Струми Фуко виникають під дією змінного електромагнітного поля і за своєю фізичною природою нічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у лінійних провідниках.

Оскільки електричний опір провідників малий, то сила струмів Фуко може досягати великих значень. Згідно з правилом Ленца вони вибирають у провіднику такий напрямок, щоб протистояти причині, яка їх спричиняє. Тому в сильному магнітному полі провідники, які рухаються, витримують сильне гальмування, яке пояснюється взаємодією струмів Фуко з магнітним полем. Цей ефект застосовується для гасіння коливань рухливих частин гальванометрів, сейсмографів тощо.

Теплова дія струмів Фуко використовується в індукційних печах: у котушку, яка живиться від високочастотної батареї великої сили, поміщають тіло-провідник, у якому виникають вихрові струми, які розігрівають його до плавлення.

У багатьох випадках струми Фуко небажані, шкідливі. Щоб уникнути їх, наприклад, якоря трансформаторів набирають з тонких пластин. З появою феритів ці провідники стали виготовляти суцільними.

Явище електромагнітної індукції широко використовується в сучасній техніці, побуті.

Наприклад, в аеропорту в рамках-металошукачах (мал. 1.88). Якщо під час проходження пасажира чи пасажирки через таку рамку спрацьовує сигнал, це означає що людина має металеві предмети, які змінюють магнітне поле рамки.

Мал. 1.88

У швидкісних поїздах на повітряній подушці (мал. 1.89) традиційні металеві колісні пари замінено повітряними підйомними подушками, а звичайні залізничні колії — напрямною доріжкою з покриттям подібним до асфальту. Так усувається тертя під час кочення і забезпечується дуже висока ефективність, а також спрощується інфраструктура, потрібна для закладання нової лінії.

Мал. 1.89

Мікрохвильова піч є одним з найпопулярніших побутових електроприладів. На відміну від інших пристроїв (наприклад, духовки або печі), у мікрохвильовій печі розігрів продуктів відбувається не з поверхні, а в більшій частині об’єму. Радіохвилі на частоті 2,450 ГГц глибоко проникають майже в усі харчові продукти, унаслідок чого час підігріву або приготування їжі значно скорочується.

Магнітні матеріали застосовують для запису інформації. Магнітний запис — спосіб запису електричних сигналів на шарі оксиду заліза чи іншому магнітному матеріалі, нанесеному на немагнітну основу: тонку пластикову стрічку, алюміній, скло тощо.

Під час запису електричний сигнал від джерела сигналу подається на електромагнітну голівку, яка намагнічує магнітне покриття носія відповідно до частоти й амплітуди підведеного сигналу. Імпульси можуть бути звуковими, візуальними або нести цифрову інформацію (для комп’ютера, мал. 1.90).

Мал. 1.90

Під час відтворення носій пропускається через ту саму або іншу голівку, і остаточна намагніченість магнітного шару носія індукує в голівці електричний сигнал, який далі підсилюється.

Для аналогових сигналів різної частоти (аудіо- або відеосигналів) сигнал під час запису та зчитування підлягає спотворенню, яке компенсує нерівномірність амплітудно-частотної характеристики тракту передачі сигналу та носія.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що таке явище електромагнітної індукції?
  • 2. Сформулюйте правило Ленца.
  • 3. Що таке індукційний струм?
  • 4. У чому полягає закон електромагнітної індукції?
  • 5. Що таке вихрові струми? Як вони виникають і де застосовуються?

Покажіть, що явище електромагнітної індукції є основою розвитку електротехніки.