Магнитная индукция (обозначается символом В) – главная характеристика магнитного поля (векторная величина), которая определяет силу воздействия на перемещающийся электрический заряд (ток) в магнитном поле, направленной в перпендикулярном направлении скорости движения.
Магнитная индукция определяется способностью влиять на объект с помощью магнитного поля. Эта способность проявляется при перемещении постоянного магнита в катушке, в результате чего в катушке индуцируется (возникает) ток, при этом магнитный поток в катушке также увеличивается.
Физический смысл магнитной индукции
Физически это явление объясняется следующим образом. Металл имеет кристаллическую структуру (катушка состоит из металла). В кристаллической решетке металла расположены электрические заряды — электроны. Если на металл не оказывать ни какое магнитное воздействие, то заряды (электроны) находятся в покое и никуда не движутся.
Если же металл попадает под действие переменного магнитного поля (из-за перемещения постоянного магнита внутри катушки — именно перемещения ), то заряды начинают двигаться под действием этого магнитного поля.
В результате чего в металле возникает электрический ток. Сила этого тока зависит от физических свойств магнита и катушки и скорости перемещения одного относительно другого.
При помещении металлической катушки в магнитное поле заряженные частицы металлический решетки (в кашутке) поворачиваются на определенный угол и размещаются вдоль силовых линий .
Чем выше сила магнитного поля, тем больше количество частиц поворачиваются и тем более однородным будет являться их расположение.
Магнитные поля, ориентированные в одном направлении не нейтрализуют друг друга, а складываются, формируя единое поле.
Формула магнитной индукции
где, В — вектор магнитной индукции, F — максимальная сила действующая на проводник с током, I — сила тока в проводнике, l — длина проводника.
Магнитный поток
Магнитный поток это скалярная величина, которая характеризует действие магнитной индукции на некий металлический контур.
Магнитная индукция определяется числом силовых линий, проходящих через 1 см2 сечения металла.
Магнитометры, используемые для ее измерения, называют теслометрами.
Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тесла (Тл).
После прекращения движение электронов в катушке сердечник, если он выполнен из мягкого железа, теряет магнитные качества. Если он изготовлен из стали, то он имеет способность некоторое время сохранять свои магнитные свойства.
Явление электромагнитной индукции было открыто Майлом Фарадеем в 1831 году. Еще за 10 лет до этого Фарадей думал о способе превратить магнетизм в электричество. Он считал, что магнитное поле и электрическое поле должны быть как-то связаны.
Открытие электромагнитной индукции
Например, с помощью электрического поля можно намагнитить железный предмет. Наверное, должна существовать возможность с помощью магнита получить электрический ток.
Сначала Фарадей открыл явление электромагнитной индукции в неподвижных относительно друг друга проводниках. При возникновении в одной из них тока в другой катушке тоже индуцировался ток. Причем в дальнейшем он пропадал, и появлялся снова лишь при выключении питания одной катушки.
Через некоторое время Фарадей на опытах доказал, что при перемещении катушки без тока в цепи относительно другой, на концы которой подается напряжение, в первой катушке тоже будет возникать электрический ток.
Следующим опытом было введение в катушку магнита, и при этом тоже в ней появлялся ток. Данные опыты показаны на следующих рисунках.
Фарадеем была сформулирована основная причина появления тока в замкнутом контуре. В замкнутом проводящем контуре ток возникает при изменении числа линий магнитной индукции, которые пронизывают этот контур.
Чем больше будет это изменение, тем сильнее получится индукционный ток. Неважно, каким образом мы добьемся изменения числа линий магнитной индукции. Например, это можно сделать движением контура в неоднородном магнитном поле, как это происходило в опыте с магнитом или движением катушки. А можем, например, изменять силу тока в соседней с контуром катушке, при этом будет изменяться магнитное поле, создаваемое этой катушкой.
Формулировка закона
Подведем краткий итог. Явление электромагнитной индукции – это явление возникновения тока в замкнутом контуре, при изменении магнитного поля в котором находится этот контур.
Для более точной формулировки закона электромагнитной индукции необходимо ввести величину, которая бы характеризовала магнитное поле – поток вектора магнитной индукции.
Магнитный поток
Вектор магнитной индукции обозначается буквой B. Он будет характеризовать магнитное поле в любой точке пространства. Теперь рассмотрим замкнутый контур, ограничивающий поверхность площадью S. Поместим его в однородное магнитное поле.
Между вектором нормали к поверхности и вектором магнитной индукции будет некоторый угол а. Магнитный поток Ф через поверхность площадью S называется физическая величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь поверхности и косинус угла между вектором магнитной индукции и нормалью к контуру.
Ф = B*S*cos(a).
Произведение B*cos(a) является проекцией вектора В на нормаль n. Поэтому форму для магнитного потока можно переписать следующим образом:
Единицей измерения магнитного потока является вебер. Обозначается 1 Вб. Магнитный поток в 1Вб создается магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадь 1 м^2, которая расположена перпендикулярно вектору магнитной индукции.
Возникновение в проводнике ЭДС индукции
Если поместить в проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет , называемая ЭДС индукции .
ЭДС индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.
Если проводник, в котором наводится ЭДС индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой ЭДС по цепи потечет ток, называемый индукционным током.
Явление индуктирования ЭДС в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией .
Электромагнитная индукция - это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.
Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в . На использовании его основано устройство различных электрических машин.
Величина и направление ЭДС индукции
Рассмотрим теперь, каковы будут величина и направление индуктированной в проводнике ЭДС.
Величина ЭДС индукции зависит от количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени, т. е. от скорости движения проводника в поле.
Величина индуктированной ЭДС находится в прямой зависимости от скорости движения проводника в магнитном поле.
Величина индуктированной ЭДС зависит также и от длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля. Чем большая часть проводника пересекается силовыми линиями поля, тем большая ЭДС индуктируется в проводнике. И, наконец, чем сильнее магнитное поле, т. е. чем больше его индукция, тем большая ЭДС возникает в проводнике, пересекающем это поле.
Итак, величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника и скорости его перемещения.
Зависимость эта выражается формулой Е = Blv,
где Е - ЭДС индукции; В - магнитная индукция; I - длина проводника; v - скорость движения проводника.
Следует твердо помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, ЭДС индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой ЭДС в нем не индуктируется. Поэтому приведенная выше формула справедлива только в том случае, когда проводник перемещается перпендикулярно магнитным силовым линиям поля.
Направление индуктированной ЭДС (а также и тока в проводнике) зависит от того, в какую сторону движется проводник. Для определения направления индуктированной ЭДС существует правило правой руки.
Если держать ладонь правой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец указывал бы направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление действия индуктированной ЭДС и направление тока в проводнике.
Правило правой руки
ЭДС индукции в катушке
Мы уже говорили, что для создания в проводнике ЭДС индукции необходимо перемещать в магнитном поле или сам проводник, или магнитное поле. В том и другом случае проводник должен пересекаться магнитными силовыми линиями поля, иначе ЭДС индуктироваться не будет. Индуктированную ЭДС, а следовательно, и индукционный ток можно получить не только в прямолинейном проводнике, но и в проводнике, свитом в катушку.
При движении внутри постоянного магнита в ней индуктируется ЭДС за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.
Если магнит опускать в катушку медленно, то возникающая в ней ЭДС будет настолько мала, что стрелка прибора может даже не отклониться. Если же, наоборот, магнит быстро ввести в катушку, то отклонение стрелки будет большим. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от скорости движения магнита, т. е. от того, насколько быстро силовые линии поля пересекают витки катушки. Если теперь поочередно вводить в катушку с одинаковой скоростью сначала сильный магнит, а затем слабый, то можно заметить, что при сильном магните стрелка прибора будет отклоняться на больший угол. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от величины магнитного потока магнита.
И, наконец, если вводить с одинаковой скоростью один и тот же магнит сначала в катушку с большим числом витков, а затем со значительно меньшим, то в первом случае стрелка прибора отклонится на больший угол, чем во втором. Значит, величина индуктируемой ЭДС, а следовательно, и сила тока в катушке зависят от числа ее витков. Те же результаты можно получить, если вместо постоянного магнита применять электромагнит.
Направление ЭДС индукции в катушке зависит от направления перемещения магнита. О том, как определять направление ЭДС индукции, говорит закон, установленный Э. X. Ленцем.
Закон Ленца для электромагнитной индукции
Всякое изменение магнитного потока внутри катушки сопровождается возникновением в ней ЭДС индукции, причем чем быстрее изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку, тем большая ЭДС в ней индуктируется.
Если катушка, в которой создана ЭДС индукции, замкнута на внешнюю цепь, то по виткам ее идет индукционный ток, создающий вокруг проводника магнитное поле, в силу чего катушка превращается в соленоид. Получается таким образом, что изменяющееся внешнее магнитное поле вызывает в катушке индукционный ток, которой, в свою очередь, создает вокруг катушки свое магнитное поле - поле тока.
Изучая это явление, Э. X. Ленц установил закон, определяющий направление индукционного тока в катушке, а следовательно, и направление ЭДС индукции. ЭДС индукции, возникающая в катушке при изменении в ней магнитного потока, создает в катушке ток такого направления, при котором магнитный поток катушки, созданный этим током, препятствует изменению постороннего магнитного потока.
Закон Ленца справедлив для всех случаев индуктирования тока в проводниках, независимо от формы проводников и от того, каким способом достигается изменение внешнего магнитного поля.
При движении постоянного магнита относительно проволочной катушки, присоединенной к клеммам гальванометра, или при движении катушки относительно магнита возникает индукционный ток.
Индукционные токи в массивных проводниках
Изменяющийся магнитный поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в массивных металлических проводниках. Пронизывая толщу массивного проводника, магнитный поток индуктирует в нем ЭДС, создающую индукционные токи. Эти так называемые распространяются по массивному проводнику и накоротко замыкаются в нем.
Сердечники трансформаторов, магнитопроводы различных электрических машин и аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые нагреваются возникающими в них индукционными токами. Явление это нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части электрических машин и сердечники трансформаторов делают не массивными, а состоящими из тонких листов, изолированных один от другого бумагой или слоем изоляционного лака. Благодаря этому преграждается путь распространения вихревых токов по массе проводника.
Но иногда на практике вихревые токи используются и как токи полезные. На использовании этих токов основана, например, работа , и так называемых магнитных успокоителей подвижных частей электроизмерительных приборов.
До сих пор мы рассматривали электрические и магнитные поля, не изменяющиеся с течением времени. Было выяснено, что электрическое поле создается электрическими зарядами, а магнитное поле - движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Перейдем к знакомству с электрическим и магнитным полями, которые меняются со временем.
Самый важный факт, который удалось обнаружить, - это теснейшая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями. Изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное. Без этой связи между полями разнообразие проявлений электромагнитных сил не было бы столь обширным, каким оно является на самом деле. Не существовало бы ни радиоволн, ни света.
Не случайно первый, решающий шаг в открытии новых свойств электромагнитных взаимодействий был сделан основоположником представлений об электромагнитном поле - Фарадеем. Фарадей был уверен в единой природе электрических и магнитных явлений. Благодаря этому он сделал открытие, которое впоследствии легло в основу устройства генераторов всех электростанций мира, превращающих механическую энергию в энергию электрического тока. (Другие источники: гальванические элементы, аккумуляторы и др. - дают ничтожную долю вырабатываемой энергии.)
Электрический ток, рассуждал Фарадей, способен намагнитить кусок железа. Не может ли магнит, в свою очередь, вызвать появление электрического тока?
Долгое время эту связь обнаружить не удавалось. Трудно было додуматься до главного, а именно: только движущийся магнит или меняющееся во времени магнитное поле может возбудить электрический ток в катушке.
Какого рода случайности могли помешать открытию, показывает следующий факт. Почти одновременно с Фарадеем швейцарский физик Колладон пытался получить электрический ток в катушке с помощью магнита. При работе он пользовался гальванометром, легкая магнитная стрелка которого помещалась внутри катушки прибора. Чтобы магнит не оказывал непосредственного влияния на стрелку, концы катушки, в которую Колладон вдвигал магнит, надеясь получить в ней ток, были выведены в соседнюю комнату и там присоединены к гальванометру. Вставив магнит в катушку, Колладон шел в соседнюю комнату и с огорчением
убеждался, что гальванометр не показывает тока. Стоило бы ему все время наблюдать за гальванометром и попросить кого-нибудь заняться магнитом, замечательное открытие было бы сделано. Но этого не случилось. Покоящийся относительно катушки магнит не вызывает в ней тока.
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Оно было открыто 29 августа 1831 г. Редкий случай, когда дата нового замечательного открытия известна так точно. Вот описание первого опыта, данное самим Фарадеем:
«На широкую деревянную катушку была намотана медная проволока длиной в 203 фута и между витками ее намотана проволока такой же длины, но изолированная от первой хлопчатобумажной нитью. Одна из этих спиралей была соединена с гальванометром, а другая - с сильной батареей, состоящей из 100 пар пластин... При замыкании цепи удавалось заметить внезапное, но чрезвычайно слабое действие на гальванометре, и то же самое замечалось при прекращении тока. При непрерывном же прохождении тока через одну из спиралей не удавалось отметить ни действия на гальванометр, ни вообще какого-либо индукционного действия на другую спираль, несмотря на то что нагревание всей спирали, соединенной с батареей, и яркость искры, проскакивающей между углями, свидетельствовали о мощности батареи» (Фарадей М. «Экспериментальные исследования по электричеству», 1-я серия).
Итак, первоначально была открыта индукция в неподвижных друг относительно друга проводниках при замыкании и размыкании цепи. Затем, ясно понимая, что сближение или удаление проводников с током должно приводить к тому же результату, что и замыкание и размыкание цепи, Фарадей с помощью опытов доказал, что ток возникает при перемещении катушек друг
относительно друга. Знакомый с трудами Ампера, Фарадей понимал, что магнит - это совокупность маленьких токов, циркулирующих в молекулах. 17 октября, как зарегистрировано в его лабораторном журнале, был обнаружен индукционный ток в катушке во время вдвигания (или выдвигания) магнита. В течение одного месяца Фарадей опытным путем открыл все существенные особенности явления электромагнитной индукции.
В настоящее время опыты Фарадея может повторить каждый. Для этого надо иметь две катушки, магнит, батарею элементов и достаточно чувствительный гальванометр.
В установке, изображенной на рисунке 238, индукционный ток возникает в одной из катушек при замыкании или размыкании электрической цепи другой катушки, неподвижной относительно первой. В установке на рисунке 239 с помощью реостата меняется сила тока в одной из катушек. На рисунке 240, а индукционный ток появляется при движении катушек друг относительно друга, а на рисунке 240, б - при движении постоянного магнита относительно катушки.
Уже сам Фарадей уловил то общее, от чего зависит появление индукционного тока в опытах, которые внешне выглядят по-разному.
В замкнутом проводящем контуре возникает ток при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром. И чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше возникающий индукционный ток. При этом причина изменения числа линий магнитной индукции совершенно безразлична. Это может быть и изменение числа линий магнитной индукции, пронизывающих площадь неподвижного проводящего контура вследствие изменения силы тока в соседней катушке (рис. 238), и изменение числа линий индукции вследствие движения контура в неоднородном магнитном поле, густота линий которого меняется в пространстве (рис. 241).
Прежде, чем ответить на вопрос о том, кто открыл явление электромагнитной индукции, рассмотрим какая ситуация сложилась в то время в научном мире в соответствующей области знаний. Открытие в 1820 г. Х.К. Эрстедом магнитного поля вокруг проволоки с током вызвало широкий резонанс в научных кругах. Было проведено много экспериментов в области электричества. Идею электромагнитного вращения около проводника с током предложил Волластон. М. Фарадей к этой идее пришел сам и создал первую модель электродвигателя в 1821 г. Ученый обеспечил действие тока на один полюс магнита, при помощи ртутного контакта реализовал непрерывное вращение магнита вокруг проводника с током. Именно тогда М. Фарадей в своем дневнике сформулировал следующую задачу: превратить магнетизм в электричество. На решение данной задачи ушло почти десять лет. Только в ноябре 1831 М. Фарадей начал системно публиковать результаты своих исследований на эту тему. Классическими опытами Фарадея по обнаружению явления электромагнитной индукции стали:
Первый опыт
:
Берется гальванометр, который замкнут на соленоид. В соленоид вдвигают или выдвигают постоянный магнит. При движении магнита наблюдают отклонение стрелки гальванометра, который показывает появление тока индукции. При этом, чем выше скорость движения магнита относительно катушки, тем больше отклонение стрелки. Если полюса магнита поменять, то изменится направление отклонения стрелки гальванометра. Надо сказать, что в разновидности данного опыта магнит можно сделать неподвижным и передвигать соленоид относительно магнита.
Второй опыт:
Имеются две катушки. Одна вставлена в другую. Концы одной катушки присоединяются к гальванометру. Через другую катушку пропускают электрический ток. Стрелка гальванометра отклоняется в моменты включения (выключения) тока, его изменения (увеличения или уменьшения) или при движении катушек по отношению друг к другу. При этом направление отклонения стрелки гальванометра противоположны при включении и выключении тока (уменьшении — увеличении).
Проведя обобщение своих экспериментов, М. Фарадей сделал вывод о том, что ток индукции появляется всегда, когда поток магнитной индукции, сцепленный с контуром, изменяется. Кроме того, было получено, что величина тока индукции не зависит от способа, каким происходит изменение магнитного потока, а определена скоростью его изменения. В своих экспериментах М. Фарадей показывал, что угол отклонения стрелки гальванометра зависит от скорости движения магнита (или скорости изменения силы тока, или скорости движения катушек). И так, результаты экспериментов Фарадея в этой области можно свести к следующему:
Электродвижущая сила индукции появляется при изменении магнитного потока (см. подробнее страничку « »).
Установленную М. Фарадеем связь между электричеством и магнетизмом Максвелл записал в математическом виде. В настоящее время эту запись мы знаем как закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) (стр.« »).