Явление электромагнитной индукции¶

Электромагнитная индукция — физическое явление возникновения электрического тока (индукционного тока) в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур, либо при движении контура в магнитном поле. Явление относится к фундаментальным электромагнитным процессам, лежит в основе работы генераторов, трансформаторов, электродвигателей и индукционных устройств. Количественно описывается законом Фарадея и правилом Ленца.

¶Физическая сущность

Магнитный поток Φ через поверхность, ограниченную контуром, определяется как произведение индукции магнитного поля B на площадь контура S и косинус угла α между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности:

Φ = B · S · cos α.

Индукционный ток возникает всякий раз, когда поток Φ изменяется во времени. Причинами изменения могут быть:

• изменение величины магнитной индукции B;
• изменение площади контура S (например, при деформации или перемещении);
• изменение ориентации контура относительно поля (угла α);
• совокупность перечисленных факторов.

Само появление тока означает, что в контуре действует электродвижущая сила (ЭДС) индукции. Её возникновение не связано с химическими источниками или внешними электрическими полями — источником ЭДС служит изменяющееся магнитное поле.

¶Закон Фарадея

Основной количественный закон сформулировал английский физик Майкл Фарадей в 1831 году. ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком:

ε = − dΦ / dt.

Для катушки из N витков формула принимает вид:

ε = − N · dΦ / dt.

Знак «минус» отражает правило Ленца. Если контур содержит сопротивление R, сила индукционного тока по закону Ома равна I = ε / R.

¶Правило Ленца

Правило, установленное российским физиком Эмилием Ленцем в 1833 году, определяет направление индукционного тока: индукционный ток всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток.

Практически это означает:

• при увеличении потока индукционный ток стремится его уменьшить;
• при уменьшении потока — поддержать, то есть воспрепятствовать убыванию.

Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии: на создание индукционного тока затрачивается работа внешних сил, преодолевающих магнитное противодействие.

¶История открытия

Явление открыто М. Фарадеем 29 августа 1831 года в опытах с двумя обмотками на общем сердечнике: при замыкании и размыкании цепи первой обмотки во второй возникал кратковременный ток. Независимо к близким результатам подошёл американский физик Джозеф Генри, однако публикация Фарадея опередила его.

В 1833 году Э. Ленц дал правило для направления тока, а в 1845 году Franz Neumann (Франц Нейман) записал закон индукции в математической форме. В 1861–1865 годах Джеймс Клерк Максвелл включил явление в общую теорию электромагнитного поля, показав, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

В России значительный вклад в изучение и практическое применение индукции внесли Э. Х. Ленц, работавший в Санкт-Петербургском университете, а также Б. С. Якоби, создавший на основе электромагнитных принципов ряд электротехнических устройств.

¶Виды индукции

Различают несколько форм проявления явления:

• Самоиндукция — возникновение ЭДС в контуре при изменении собственного тока. Описывается через индуктивность L: ε = − L · dI / dt.
• Взаимная индукция — наведение ЭДС в одном контуре при изменении тока в другом, связанном с ним магнитной связью.
• Вихревые токи (токи Фуко) — индукционные токи в массивных проводниках, возникающие при изменении потока; приводят к нагреву и торможению движения в магнитном поле.

¶Применение

Электромагнитная индукция лежит в основе значительной части современной электротехники:

В генераторах переменного тока механическая энергия преобразуется в электрическую именно за счёт индукции, что делает явление основой промышленной электроэнергетики.

¶Значение

Электромагнитная индукция — одно из ключевых открытий физики XIX века. Оно связало электрические и магнитные явления в единую теорию, привело к созданию Максвеллом классической электродинамики и обеспечило техническую базу для производства, передачи и преобразования электроэнергии. Без этого явления невозможно представить работу современной энергетики, транспорта и связи.

¶Интересные факты

• Первый генератор Фарадея представлял собой медный диск, вращавшийся между полюсами магнита, — «диск Фарадея».
• Токи Фуко используются в тормозных системах поездов и аттракционов, где нет механического контакта.
• Индукционные токи в сердечниках трансформаторов вредны, поэтому сердечники делают наборными из изолированных пластин.

Источники: учебники по общей физике (И. В. Савельев, Д. В. Сивухин), работы М. Фарадея, Э. Х. Ленца, Дж. К. Максвелла, энциклопедические издания по физике.