Закон электромагнитной индукции. Проявление в форме Фарадея. Форма Максвелла. Понятие об электромагнитном поле.

Закон электромагнитной индукции говорит о последствиях изменения магнитного потока. Магнитный поток – это поток вектора магнитной индукции через какую-либо поверхность. Если линии магнитной индукции перпендикулярны поверхности и индукция в каждой точке поверхности одинакова, то:

Ф=BS

Магнитный поток Ф измеряется в веберах (Вб). Индукция В – теслах (Тл). А площадь S – в метрах квадратных.

Суть закона электромагнитной индукции состоит в том, что если магнитный поток проходит через поверхность, ограниченную каким-либо контуром, то при изменении этого потока в названном контуре возникает электродвижущая сила. Электродвижущей силой (ЭДС) называется физическая величина, характеризующая действие сторонних сил, выражающееся в затрате энергии на перемещение единичного заряда вдоль всего замкнутого проводящего контура. Электродвижущая сила измеряется в вольтах.

В формулировке Фарадея, который впервые обнаружил это явление, закон можно сформулировать следующим образом:

Количество электричества, протекшее через поперечное сечение замкнутого контура, пропорционально абсолютному изменению магнитного потока, пронизывающего этот контур, и обратно пропорционально сопротивлению этого контура.

Эта же формулировка выражается формулой:

.

Здесь Ф – изменение магнитного потока в веберах, Q – количество электричества в кулонах, R- сопротивление в омах (см. 2.5).

Количество протекшего через поперечное сечение электричества зависит от силы тока и времени (см.1.9). Сила тока в свою очередь зависит от сопротивления цепи и ЭДС, действующей в этой замкнутой цепи (контуре). Это приводит к более общей формулировке Максвелла:

ЭДС, индуцируемая в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур.

Эта же формулировка выражается формулой:

.

Здесь τ – время, производная - как любая производная величины по времени – есть скорость изменения магнитного потока. При равномерном изменении эта скорость равна Ф/τ. Знак минус перед производной означает тот факт, что направление ЭДС в контуре таково, что вызванный ею ток создаст собственный магнитный поток, направленный противоположно возбуждающему эту ЭДС магнитному потоку.

Закон электромагнитной индукции можно отнести и к воображаемому контуру, расположенному в среде с любой проводимостью, в том числе в пустоте. Возникновение ЭДС в этом случае означает возникновение электрического поля. Если бы переменная ЭДС возникла в электропроводящем контуре, то образующийся в контуре ток вызвал бы переменный магнитный поток. Исключая проводящий контур приходим к выводу, что переменное электрическое поле является причиной возникновения переменного магнитного поля. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает снова электрическое поле и т. д. Таким образом, мы приходим к понятию единого электромагнитного поля, которое может существовать в любой среде или в пустоте, будучи однажды сформированным каким либо источником.

Закон электромагнитной индукции имеет важное следствие. Электрическое напряжение вдоль любого замкнутого контура равно ЭДС, индуцируемой в этом контуре. Если теперь возьмём не замкнутый контур, а проводник длиной L, который движется со скоростью v в магнитном поле с индукцией В так, что направления величин l, B, и v перпендикулярны (то есть проводник пересекает линии индукции с разным значением В) то:

ЭДС = vDl.

Закон электромагнитной индукции является законом, на котором покоится вся современная электроэнергетика. Выработка электроэнергии производится генераторами, обмотки роторов которых, вращаясь в магнитном поле, рождают ЭДС. Трансформация электроэнергии ведётся непосредственно на основе закона электромагнитной индукции. В одной из обмоток трансформатора, подключённой к переменному напряжению, протекает ток, создающий переменный магнитный поток. Этот переменный магнитный поток, согласно закону электромагнитной индукции, создаёт ЭДС в других обмотках.

В электрическом счётчике действуют как закон электромагнитной индукции, так и закон Ампера. По первому закону обмотка переменного напряжения создаёт в электропроводящем диске вихревые токи. Эти токи создают магнитные поля, взаимодействующие с магнитными полями токовой обмотки. Силы Ампера заставляют вращаться диск со скоростью, пропорциональной напряжению и току, то есть потребляемой мощности.