Наука, изучающая поле, которое взаимодействует с электрически заряженными телами называется электродинамикой. Основным её утверждением является закон электромагнитной индукции Фарадея. Формула, описывающая его, была получена экспериментальным путём, а после уже доказана теоретически. При этом некоторые учёные считают, что правило в одном уравнении затрагивает сразу два природных явления.
Общие сведения
Упорядоченное движение элементарных частиц, обладающих зарядом, приводит к появлению электрического тока. Его существование приводит к возникновению электромагнитного поля. Майкл Фарадей, зная об этом эффекте, предположил, что возможна и обратная зависимость. А натолкнул его на эти мысли эксперимент датского учёного Эрстеда.
В 1820 году физик из Дании провёл интереснейший опыт. Он взял магнитную стрелку и поместил над ней узкий проводник. Как только был подан ток, стрелка развернулась почти перпендикулярно к проводящему материалу. Если же он изменял направление протекания электротока, то указатель разворачивался на 180 градусов. Аналогично себя вела стрелка и при размещении её над проводником. Объяснить этот эффект можно было лишь предположением, что при протекании тока возникает магнитное поле, линии которого направлены радиально.
Считается, что явление было открыто случайно. Эрстед вёл преподавательскую деятельность. И вот на одном из своих уроков он демонстрировал ученикам эксперимент по тепловому воздействию электротока. Во время опыта один из студентов обратил внимание, что стрелка лежащего рядом компаса начинает отклоняться. Эрстед после отрицал случайность открытия, заявляя, что знал о нём заранее. Этот опыт стал первым эмпирическим доказательством взаимосуществования электрических и магнитных полей.
Открытие Эрстеда завлекло Фарадея. Он загорелся желанием научиться превращать магнетизм в электричество. Почти десять лет учёный ставил различные опыты, но только в 1831 году он смог открыть явление, позже названное электромагнитной индукцией. Благодаря ей учёный мечтал создать нового типа источник тока.
В это же время независимо от Фарадея в Америке Генри Джозеф, создавая магниты, обнаружил явление, приводящее к созданию в проводнике электродвижущей силы (ЭДС) при изменении тока. Названо оно было самоиндукцией. Вместе с ней он наблюдал и взаимоиндукцию. Но учёный не успел опубликовать свои результаты, немногим раньше это сделал Фарадей. Генри оставалось только подтвердить полученные результаты.
Опыт Фарадея
Вначале XIX века пришёлся бум на открытия в области электричества и магнетизма. Установленные в это время законы служат базисами и в современных исследованиях. Так, одним из важных открытий стала взаимосвязь между магнитными и электрическими полями. Фарадею удалось сделать то, что не получилось у Эрстеда и Ампера. Он смог превратить магнетизм в электричество.
Для открытия своего закона учёному понадобилось подготовить:
- магнит;
- две проволочные катушки;
- гальванометр;
- источник тока.
Фарадей провёл два разных опыта. Для первого он собрал цепь, содержащую одну катушку. Вокруг неё он передвигал магнит и смотрел за поведением гальванометра. Физик наблюдал как при внесении намагниченного тела в катушку, стрелка в измерительном устройстве откланялась. При выведении же из проводника указатель изменял направление. Если же магнит оставался неподвижным, то гальванометр ток не обнаруживал.
Полученные результаты Фарадей назвал самонаводящимся электричеством. Эти наблюдения послужили началом зарождения такой науки, как электротехника. В работе всех современных электродвигателей лежит использование рассмотренного принципа.
Во втором эксперименте Фарадей использовал две катушки. К одной он подключил источник переменного тока, а ко второй измерительный прибор. При этом он опять же наблюдал ток, возникающий во вторичном проводнике. Фактически Фарадей сам того не зная изобрёл трансформатор.
Открытия позволили сформулировать определение, после названное именем учёного. Звучит закон Фарадея в современной трактовке так: когда поток вектора индукции, пронизывающий замкнутый, контур проводника, изменяется, то в замкнутой цепи возникает упорядоченное движение электрических зарядов. Другими словами, возникает ток. Природное же явление называют электромагнитной индукцией, а возникший ток — индукционным.
Описывается закон Фарадея формулой: E = — ΔФ / Δt. Как видно из выражения электродвижущая сила зависит от скорости, с которой изменяется магнитный поток. При этом знак минус показывает направление индукционного тока. Определяется он по правилу Лоренца. Таким образом, идея Фарадея описывает как двигательную ЭДС, так и трансформаторную, то есть генерируемую магнитной и электрической силами. Впервые на это обратил внимание Максвелл, который в своих трудах дал подробное физическое объяснение для каждого из этих двух явлений.
Закон Максвелла
В 1873 году Джон Максвелл теоретически изложил действие электромагнитного поля. Его уравнения составили основу для создания электротехники. Уравнения, полученные им устанавливают взаимосвязь магнитных явлений с электрическими и наоборот. Вместе с тем физик обнаружил, что значение распространения электромагнитной волны совпадает со скоростью света.
Физический смысл уравнений заключается в следующем:
- изменение электрического поля приводит к возникновению магнитного: Edl = -dФ/dt;
- если существует магнитное поле, то оно вызывает появление электрического: Hdl = -dN/dt.
В формулах: E — это напряжение электрополя на участке цепи; H — напряжённость; N — поток индукции; t — время. В том случае, когда контур замкнут при изменении магнитного потока возникает электродвижущая сила (ЭДС). Проявляется она в виде индукционного тока: I = e * i / R, где R — сопротивление цепи. Если контур будет незамкнутым, то в месте обрыва возникнет разность потенциалов.
Направление движения индукционного тока определяется по правилу Ленца. Формулироваться оно будет так: возникающее движение носителей зарядов направлено таким образом, чтобы магнитное поле противодействовало потоку им вызывающимся. На практике же сторону движения индукционного тока можно определить следующим образом:
- выяснить направление внешнего магнитного поля;
- узнать возрастает или спадает поток вектора магнитной индукции;
- используя правило Ленца, определить направление вектора;
- воспользовавшись методом правого винта найти направление индукционного тока в контуре.
Таким образом, если имеется N витков в контуре, то сила индукции равна: E = — N * (dФ / dt). Отсюда сила тока в цепи будет следующей: I = E / R. Если же длина проводника равна L, а скорость V, то в однородном постоянном поле электромагнитную индукцию (ЭМИ) можно найти как E = B * V * L * sin (a), где альфа-угол между векторами.
Кратко объяснить природу ЭДС самоиндукции можно так. Пусть имеется проводник длиной L вокруг которого изменяется магнитное поле со скоростью V. На заряд двигающийся под действием намагниченности оказывает влияние сила Лоренца: F = q * (E + v * B). Отрицательные заряды собираются возле одного края проводника, а некомпенсированные положительные у другого. В итоге возникает напряжение. Представляет оно собой ЭДС индукции (e * i). Найти её значение можно, определив работу, которая совершается силой Лоренца при движении заряда по проводнику: ei = A / q = F * L / q = B·V·L·sin (a).
Применение явления
Значение закона Фарадея трудно недооценить, понимая, в каких целях он используется на практике. Вся электрическая промышленность построена на реализации открытия учёного. Одним из устройств использующего принцип возникновения ЭДС за счёт движения замкнутого проводника в магнитном поле является электрический генератор.
Его работа заключается в том, что если постоянный магнит перемещать относительно контура, то возникнет электродвижущая сила. Соответственно подключив проводник к нагрузке, можно получить ток. А это значит, что механическая энергия превратится в электрическую. При этом различают два принципиально разных механизма работы:
- Индуцированный — вращение магнита, вокруг не изменяющего своё положение проводника. В этом случае электрическое поле двигает заряды через проводник.
- Двигательный — магнит неподвижен, а проводник вращается. Появляется сила Лоренца, и магнитное поле толкает заряды.
Второе, но не менее важное устройство, электродвигатель. По сути, это генератор работающий «задом наперёд». На заряд действует магнитная сила, вращающая диск в обратном направлении, определить которое можно по правилу левой руки. Если будут потери небольшие, например, связанные с трением или выделением тепла, то подключённый диск будет вращаться с такой скоростью, чтобы отношение dF / dt сравнялось с разностью потенциалов вызывающего ток.
На использовании ЭДС построена работа и трансформатора. Проходящий по первичным виткам переменный электрический ток приводит к возникновению магнитного поля. Последнее и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу. Если только концы катушки подключить к нагрузке, то через неё сразу же потечёт ток.
В СИ индуктивность измеряется в генри [Гн]. Величина магнитного потока пропорциональна току: Ф = L * I. Отсюда следует, что один генри равен отношению вебер на секунду [Вб / с], а он, в свою очередь, равняется вольту [В]. Напряжённость электрического поля принято выражать в амперах, делённых на метр [A / m].
