Тема 3.5. Електромагнітна індукція

Основні питання, що вивчаються в даній темі:

1. Досліди Фарадея. Явище електромагнітної індукції. Закон електромагнітної індукції. Правило Ленца.

2. Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля струму.

3. Взаємозв’язок електричного і магнітного полів як прояв єдиного цілого електромагнітного поля.

Теоретичні відомості з теми:

Досліди Фарадея: а) виникнення індукційного струму в котушці під час вставляння і витягування магніту – індукційний (збуджений) струм виникає під час руху магніту і котушки відносно одне одного; б) виникнення індукційного струму в одній котушці у разі зміни струму в іншій котушці.

Явище електромагнітної індукції: індукційний струм у замкнутому контурі виникає під час зміни магнітного потоку, що пронизує даний контур. Електричне поле, створене змінним магнітним полем і яке викликає індукційний струм в замкнутому контурі є вихровим. Лінії напруженості вихрового електричного поля (на відміну від електростатичного) замкнуті.

Правило Ленца: індукційний струм завжди напрямлений так, щоб протидіяти причині, що зумовила цей струм.

Електрорушійну силу, що характеризує дію сторонніх сил (це або сили Лоренца, якщо контур або його частини рухаються в постійному магнітному полі, або сили з боку вихрового електричного поля, якщо контур перебуває в змінному магнітному полі), які збуджують індукційний струм у замкнутому контурі, називають ЕРС індукції: ξ_і=І_і·R, де І_і – сила індукційного струму (А), R – повний опір замкнутого контуру (Ом).

Закон електромагнітної індукції: ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює модулю швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує цей контур: ξ_і= - . Знак "мінус" означає, що індукційний струм завжди напрямлений так, щоб протидіяти причині, яка викликала цей струм. Якщо контур, в якому виникає індукційний струм складається із N витків то: ξ_i = - N .

Явище самоіндукції полягає у виникненні ЕРС індукції в контурі внаслідок зміни сили струму в цьому контурі. Внаслідок самоіндукції струм в будь-якому контурі після його замикання на джерело струму наростає поступово бо виникає ЕРС самоіндукції яка згідно з правилом Ленца протидіє наростанню струму, а після розмикання - існує ще деякий час у вигляді іскрових чи дугових розрядів, які підтримуються ЕРС самоіндукції, що виникає в контурі при його розмиканні. Якщо в контурі тече струм І то в просторі де існує контур виникає магнітне поле: Ф = LІ, - магнітний потік Ф створений контуром пропорційний силі струму І в контурі. L – коефіцієнт пропорційності називають індуктивністю контуру, який залежить від його форми та розмірів. Відповідно до закону електромагнітної індукції ЕРС самоіндукції: ξ_si= - = - = - L , тобто:

ξ_si = - L - ЕРС самоіндукції в контурі. Звідси індуктивність контуру: L=| - це фізична величина, яка чисельно дорівнює модулю ЕРС самоіндукції, що виникає в контурі у разі зміни сили струму на 1 А за 1 с. Звідси 1 Гн = 1 - індуктивність контуру дорівнює 1 Гн (генрі), якщо у разі зміни сили струму в контурі на 1 А за 1 с у ньому виникає ЕРС самоіндукції, що дорівнює 1 В.

Магнітне поле, так само як і електричне, має енергію. Мірою інертності тіла в механіці є його маса m. Мірою "інертності" контуру є його індуктивність L. Сила струму І в контурі є "мірою швидкості" руху заряджених частинок в контурі І= і тому є аналогом швидкості руху υ= тіла в механіці. В механіці кінетична енергія тіла обчислюється за формулою: E_k= , тому: енергія магнітного поля струму в контурі з індуктивністю L дорівнює W_м= , де І – сила струму в контурі. Енергія магнітного поля вимірюється в Дж =Гн·А². Цю енергію в протидії з ЕРС самоіндукції створює джерело струму під час замикання контуру і створення в ньому струму І і його магнітного поля, і вона ж виділяється у вигляді тепла, енергії світла і т. д. під час розмикання контуру - іскровий, дуговий розряд і т. д..