§ 5. Электромагнитная индукция. Правило Ленца

При изменении магнитного потока через замкнутый контур в нём возникает ЭДС индукции, равная модулю скорости изменения магнитного потока, а соответствующий индукционный ток направлен так, чтобы скомпенсировать это изменение.

Так как источниками электрического и магнитного поля являются электрические заряды, эти поля должны быть тесно связаны между собой. Впервые связь между магнитными и электрическими явлениями была доказана английским физиком М. Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции (ЭМИ) – возникновение тока в проводнике, когда он находится в изменяющемся магнитном поле или движется в постоянном магнитном поле.

Чтобы продемонстрировать явление ЭМИ, возьмём постоянный магнит и катушку из проволоки, соединённую к чувствительному гальванометру. Пока магнит неподвижен относительно катушки, ток в ней отсутствует. Однако, как только магнит начинают вдвигать внутрь катушки, в ней появляется ток (рис.5а). При выдвигании магнита из катушки знак тока меняется на противоположный (рис.5б). Этот ток называют индукционным током. Индукционный ток возникает в проводящем контуре не только в тех случаях, когда он движется относительно постоянного магнита (рис.5а-б), но и при всяких изменениях внешнего магнитного поля, например, при выключении или включении тока через находящийся рядом электромагнит.

Для количественного описания явления ЭМИ необходимо ввести новую физическую величину – поток магнитной индукции или магнитный поток. Магнитным потоком Ф через плоский замкнутый проводящий контур с площадью поверхности S, находящийся в однородном магнитном поле, называют величину, равную произведению модуля магнитной индукции В, площади контура S и косинуса угла a между вектором магнитной индукции и нормалью n к плоскости контура (рис.5в):

Ф = B.S.cos(a) (5.1)

Из рис.5в следует, что магнитный поток пропорционален числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность данного контура. Единицей магнитного потока в СИ является вебер (Вб): 1 Вб=1 Тл.м².

Результаты опытов Фарадея показали, что индукционный ток в замкнутом контуре возникает при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Направление индукционного тока помогает определить правило Ленца – магнитное поле индукционного тока противодействует тому изменению магнитного потока, которым он был вызван.

Возникновение индукционного тока говорит о том, что в проводящем контуре появляются сторонние силы, действующие на свободные заряды. Величину сторонних сил, появляющихся в замкнутом контуре при явлениях ЭМИ, характеризуют ЭДС индукции, Ei , которая связана с магнитным потоком через этот контур следующим образом:

где DФ – изменение магнитного потока через контур, произошедшее за интервал времени Dt, а знак «минус» указывает на то, что для вычисления Ei необходимо соблюдать правило Ленца. Уравнение (5.2) называют законом ЭМИ.

Изучая явления ЭМИ, английский физик Дж. Максвелл пришёл к выводу, что изменяющееся во времени магнитное поле всегда рождает электрическое поле, а находящиеся в этом месте свободные электроны проводящего контура лишь позволяют регистрировать это электрическое поле в виде индукционного тока. При этом возникающее электрическое поле является вихревым (как и магнитное), так как его силовые линии замкнуты.

Вопросы для повторения:

· В чём заключается явление ЭМИ?

· Что называют магнитным потоком, и в каких единицах его измеряют в СИ?

· Как правило Ленца помогает определить направление индукционного тока?

· Что такое ЭДС индукции?

· Как формулируется закон ЭМИ, и почему в нём есть знак «минус»?

Рис. 5. Возникновение индукционного тока Iинд в катушке, когда постоянный магнит вдвигают (а) или удаляют из неё (б); (в) – к определению величины магнитного потока.