Loven om elektromagnetisk induksjon. Lenz og Faraday regjerer

Elektrisk Og magnetiske felt genereres av de samme kildene - elektriske ladninger, så vi kan anta at det er en viss sammenheng mellom disse feltene. Denne antagelsen fant eksperimentell bekreftelse i 1831 i eksperimentene til den fremragende engelske fysikeren M. Faraday. Han åpnet fenomenet elektromagnetisk induksjon.

Fenomenet elektromagnetisk induksjon ligger til grunn for driften av induksjonselektriske strømgeneratorer, som står for all elektrisitet som produseres i verden.

• Magnetisk fluks

Et kvantitativt kjennetegn ved prosessen med å endre magnetfeltet gjennom en lukket sløyfe er en fysisk størrelse som kalles magnetisk fluks. Magnetisk fluks (F) gjennom en lukket sløyfe med arealet (S) er en fysisk størrelse lik produktet av størrelsen på den magnetiske induksjonsvektoren (B) med arealet av sløyfen (S) og cosinus til vinkelen mellomvektor B og normal til overflaten: Φ = BS cos α. Magnetisk fluksenhet F - weber (Wb): 1 Wb = 1 T · 1 m 2.

vinkelrett maksimum.

Hvis den magnetiske induksjonsvektoren parallell konturområdet, deretter den magnetiske fluksen lik null.

• Loven om elektromagnetisk induksjon

Loven om elektromagnetisk induksjon ble etablert eksperimentelt: den induserte emk i en lukket krets er lik størrelsesorden for endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom overflaten avgrenset av kretsen: Denne formelen kalles Faradays lov .

Den klassiske demonstrasjonen av den grunnleggende loven om elektromagnetisk induksjon er Faradays første eksperiment. I den, jo raskere du beveger magneten gjennom svingene på spolen, desto større vises den induserte strømmen i den, og derav den induserte emf.

• Lenz sin regel

Avhengigheten av retningen til induksjonsstrømmen av arten av endringen i magnetfeltet gjennom en lukket sløyfe ble eksperimentelt etablert i 1833 av den russiske fysikeren E.H. Lenz. I følge Lenz sin regel , den induserte strømmen som oppstår i en lukket krets med dets magnetiske felt motvirker endringen i magnetisk fluks som den kalt. Mer kort kan denne regelen formuleres som følger: den induserte strømmen er rettet for å forhindre årsaken til det. Lenz sin regel gjenspeiler det eksperimentelle faktum at de alltid har motsatte fortegn (minus innlogging Faradays formel).

Lenz designet en enhet bestående av to aluminiumsringer, solide og kuttede, montert på en aluminiums tverrstang. De kunne rotere rundt en akse som en rocker. Når en magnet ble satt inn i en solid ring, begynte den å "løpe bort" fra magneten, og snudde vippearmen tilsvarende. Da magneten ble fjernet fra ringen, prøvde den å "ta igjen" magneten. Når magneten beveget seg inne i den kuttede ringen, skjedde det ingen bevegelse. Lenz forklarte eksperimentet ved å si at magnetfeltet til den induserte strømmen forsøkte å kompensere for endringen i den eksterne magnetiske fluksen.

Lenz regel har en dyp fysisk betydning – den uttrykker loven om energisparing.

Hvilken bedre måte å lese om det grunnleggende på en mandagskveld? elektrodynamikk. Det stemmer, du kan finne mange ting som er bedre. Vi anbefaler likevel at du leser denne artikkelen. Det tar ikke mye tid, og nyttig informasjon vil forbli i underbevisstheten. For eksempel, under en eksamen, under stress, vil det være mulig å lykkes med å trekke ut Faradays lov fra dypet av minnet. Siden det er flere Faraday-lover, la oss presisere at her snakker vi om Faradays lov om induksjon.

Elektrodynamikk– en gren av fysikk som studerer det elektromagnetiske feltet i alle dets manifestasjoner.

Dette inkluderer samspillet mellom elektriske og magnetiske felt, elektrisk strøm, elektromagnetisk stråling og feltets påvirkning på ladede legemer.

Her tar vi ikke sikte på å vurdere all elektrodynamikk. Gud forby! La oss ta en bedre titt på en av dens grunnleggende lover, som kalles Faradays lov om elektromagnetisk induksjon.

Historie og definisjon

Faraday, parallelt med Henry, oppdaget fenomenet elektromagnetisk induksjon i 1831. Riktignok klarte jeg å publisere resultatene tidligere. Faradays lov er mye brukt i teknologi, i elektriske motorer, transformatorer, generatorer og choker. Hva er essensen av Faradays lov for elektromagnetisk induksjon, enkelt sagt? Her er tingen!

Når den magnetiske fluksen endres gjennom en lukket ledende sløyfe, oppstår det en elektrisk strøm i sløyfen. Det vil si at hvis vi vrir en ramme ut av tråd og plasserer den i et skiftende magnetfelt (ta en magnet og vrir den rundt rammen), vil det gå strøm gjennom rammen!

Faraday kalte denne strøminduksjon, og selve fenomenet ble kalt elektromagnetisk induksjon.

Elektromagnetisk induksjon– forekomsten av en elektrisk strøm i en lukket krets når den magnetiske fluksen som passerer gjennom kretsen endres.

Formuleringen av den grunnleggende loven om elektrodynamikk - Faradays lov om elektromagnetisk induksjon, utseende og lyder som følger:

EMF, som oppstår i kretsen, er proporsjonal med endringshastigheten for magnetisk fluks F gjennom kretsen.

Hvor kommer minus fra i formelen, spør du? For å forklare minustegnet i denne formelen er det en spesiell Lenz sin regel. Den sier at minustegnet, i dette tilfellet, indikerer retningen til den fremvoksende emf. Faktum er at magnetfeltet som skapes av induksjonsstrømmen er rettet på en slik måte at det forhindrer endringen i magnetisk fluks som forårsaket induksjonsstrømmen.

Eksempler på problemløsning

Det ser ut til å være alt. Betydningen av Faradays lov er grunnleggende, fordi grunnlaget for nesten hele den elektriske industrien er bygget på bruken av denne loven. For å hjelpe deg å forstå raskere, la oss se på et eksempel på å løse et problem ved å bruke Faradays lov.

Og husk, venner! Hvis en oppgave har satt seg fast som et bein i halsen, og du ikke orker det lenger, ta kontakt med våre forfattere! Nå vet du . Vi vil raskt gi en detaljert løsning og avklare alle spørsmål!

Som et resultat av en rekke eksperimenter etablerte Faraday den grunnleggende kvantitative loven for elektromagnetisk induksjon. Han viste at hver gang det er en endring i den magnetiske induksjonsfluksen koblet til kretsen, vises en indusert strøm i kretsen. Forekomsten av en induksjonsstrøm indikerer tilstedeværelsen av en elektromotorisk kraft i kretsen, kalt den elektromotoriske kraften til elektromagnetisk induksjon. Faraday fastslo at verdien av emf av elektromagnetisk induksjon E i er proporsjonal med endringshastigheten til den magnetiske fluksen:

E i = -K, (27,1)

hvor K er en proporsjonalitetskoeffisient som kun avhenger av valg av måleenheter.

I SI-systemet av enheter er koeffisient K = 1, dvs.

E i = -. (27.2)

Denne formelen representerer Faradays lov om elektromagnetisk induksjon. Minustegnet i denne formelen tilsvarer Lenz sin regel (lov).

Faradays lov kan også formuleres på denne måten: den elektromagnetiske induksjonen emf E i en krets er numerisk lik og motsatt i fortegn til endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom overflaten avgrenset av denne kretsen. Denne loven er universell: EMF E i er ikke avhengig av måten den magnetiske fluksen endres på.

Minustegnet i (27.2) viser at en økning i fluks ( > 0) forårsaker en emf E i< 0, т.е. магнитный поток индукционного тока направлен навстречу потоку, вызвавшему его; уменьшение потока ( < 0) вызывает E i >0 dvs. retningene til den magnetiske fluksen til den induserte strømmen og fluksen som forårsaket den faller sammen. Minustegnet i formel (27.2) er et matematisk uttrykk for Lenz sin regel - en generell regel for å finne retningen til den induserte strømmen (og derfor tegnet og emk for induksjon), utledet i 1833. Lenz sin regel: den induserte strømmen er alltid rettet for å motvirke årsaken som forårsaker det. Med andre ord, den induserte strømmen skaper en magnetisk fluks som forhindrer endringen i magnetisk fluks som forårsaker den induserte emk.

Indusert emk uttrykkes i volt (V). Faktisk, med tanke på at enheten for magnetisk fluks er weber (Wb), får vi:

Hvis den lukkede kretsen som den induserte emk induseres i består av N svinger, vil E i være lik summen av emk indusert i hver av svingene. Og hvis den magnetiske fluksen som dekkes av hver sving er den samme og lik Ф, så er den totale fluksen gjennom overflaten av N svinger lik (NF) - den totale magnetiske fluksen (flukskobling). I dette tilfellet er den induserte emf:

E i = -N×, (27,3)

Formel (27.2) uttrykker loven om elektromagnetisk induksjon i generell form. Det gjelder både stasjonære kretser og bevegelige ledere i et magnetfelt. Tidsderivatet av den magnetiske fluksen inkludert i den består vanligvis av to deler, hvorav den ene er forårsaket av endringen i magnetisk induksjon over tid, og den andre av kretsens bevegelse i forhold til magnetfeltet (eller dets deformasjon). La oss se på noen eksempler på anvendelsen av denne loven.

Eksempel 1. En rett leder med lengde l beveger seg parallelt med seg selv i et jevnt magnetfelt (Figur 38). Denne lederen kan være en del av en lukket krets, hvor de resterende delene er ubevegelige. La oss finne emf som oppstår i lederen.

Hvis den øyeblikkelige verdien av lederhastigheten er v, da vil den med tiden dt beskrive arealet dS = l× v×dt og vil i løpet av denne tiden krysse alle linjer med magnetisk induksjon som går gjennom dS. Derfor vil endringen i magnetisk fluks gjennom kretsen, som inkluderer en bevegelig leder, være dФ = B n ×l× v×dt. Her er B n komponenten av magnetisk induksjon vinkelrett på dS. Ved å erstatte dette med formel (27.2) får vi verdien av emf:

E i = B n × l× v. (27.4)

Retningen til den induserte strømmen og fortegnet til EMF bestemmes av Lenz sin regel: den induserte strømmen i kretsen har alltid en slik retning at magnetfeltet den skaper hindrer endringen i den magnetiske fluksen som forårsaket denne induserte strømmen. I noen tilfeller er det mulig å bestemme retningen til den induserte strømmen (polariteten til den induserte emf) i henhold til en annen formulering av Lenz sin regel: den induserte strømmen i en bevegelig leder er rettet på en slik måte at den resulterende amperekraften er motsatt av hastighetsvektoren (den bremser bevegelsen).

La oss se på et numerisk eksempel. En vertikal leder (bilantenne) med lengden l = 2 m beveger seg fra øst til vest i jordens magnetfelt med en hastighet v= 72 km/t = 20 m/s. La oss beregne spenningen mellom endene av lederen. Siden lederen er åpen, vil det ikke være strøm i den og spenningen i endene vil være lik den induserte emf. Tatt i betraktning at den horisontale komponenten av den magnetiske induksjonen av jordens felt (dvs. komponenten vinkelrett på bevegelsesretningen) for middels breddegrader er lik 2 × 10 -5 T, ved å bruke formel (27.4) finner vi

U = Bn×l× v= 2×10 -5 ×2×20 = 0,8×10 -3 V,

de. ca 1 mV. Jordens magnetfelt er rettet fra sør til nord. Derfor finner vi at emk er rettet fra topp til bunn. Dette betyr at den nedre enden av ledningen vil ha et høyere potensial (ladet positivt), og den øvre enden vil ha et lavere potensial (ladet negativt).

Eksempel 2. Det er en lukket ledningskrets i et magnetfelt, penetrert av en magnetisk fluks F. La oss anta at denne fluksen avtar til null og beregne den totale mengden ladning som går gjennom kretsen. Den øyeblikkelige verdien av emk under forsvinningen av den magnetiske fluksen uttrykkes ved formel (27.2). Derfor, i henhold til Ohms lov, er den øyeblikkelige verdien av strømmen

hvor R er den totale motstanden til kretsen.

Beløpet som overføres er lik

q = = - = . (27,6)

Det resulterende forholdet uttrykker loven om elektromagnetisk induksjon i formen funnet av Faraday, som fra sine eksperimenter konkluderte med at mengden ladning som passerer gjennom kretsen er proporsjonal med det totale antallet magnetiske induksjonslinjer som krysses av lederen (dvs. endringen i magnetisk fluks Ф 1 -Ф 2), og er omvendt proporsjonal med motstanden til kretsen R. Relasjon (27.6) lar oss definere enheten for magnetisk fluks i SI-systemet: weber - magnetisk fluks, når den synker til null, en ladning på 1 C går gjennom en krets koblet til den med en motstand på 1 Ohm.

I henhold til Faradays lov er forekomsten av en elektromagnetisk induksjons-emf også mulig i tilfelle av en stasjonær krets plassert i et vekslende magnetfelt. Lorentz-styrken virker imidlertid ikke på stasjonære ladninger, så i dette tilfellet kan den ikke være årsaken til forekomsten av indusert emf. For å forklare den induserte emk i stasjonære ledere, foreslo Maxwell at ethvert vekslende magnetfelt eksiterer et elektrisk virvelfelt i det omkringliggende rommet, som er årsaken til utseendet til indusert strøm i lederen. Sirkulasjonen av styrkevektoren til dette feltet langs en hvilken som helst fast kontur L av lederen er EMF for elektromagnetisk induksjon:

E i = = -. (27,7)

Intensitetslinjene til det elektriske virvelfeltet er lukkede kurver, derfor, når en ladning beveger seg i et elektrisk virvelfelt langs en lukket kontur, utføres arbeid som ikke er null. Dette er forskjellen mellom et elektrisk virvelfelt og et elektrostatisk felt, hvis spenningslinjer begynner og slutter ved ladningene.

Fedun V.I. Forelesningsnotater om fysikk Elektromagnetikk

Forelesning 26.

Elektromagnetisk induksjon. Faradays oppdagelse .

I 1831 gjorde M. Faraday en av de viktigste grunnleggende funnene innen elektrodynamikk - fenomenet ble oppdaget elektromagnetisk induksjon .

I en lukket ledende krets, når den magnetiske fluksen (vektorfluksen) dekket av denne kretsen endres, oppstår det en elektrisk strøm.

Denne strømmen kalles induksjon .

Utseendet til induksjonsstrøm betyr at når magnetfeltet endres

Faraday oppdaget at en indusert strøm kan produseres på to forskjellige måter, som enkelt kan forklares ved hjelp av et diagram.

1. metode: flytting av rammen i magnetfeltet til en stasjonær spole (se fig. 26.1).

2. metode: endring av magnetfeltet , skapt av spolen , på grunn av dens bevegelse eller på grunn av endringer i strømstyrken i den (eller begge sammen). Ramme mens den er ubevegelig.

I begge disse tilfellene galvanometeret vil indikere tilstedeværelsen av induksjonsstrøm i rammen .

Retningen til induksjonsstrømmen og følgelig tegnet på emf. induksjon bestemmes av Lenz sin regel.

Lenz sin regel.

Induksjonsstrømmen er alltid rettet på en slik måte at den motvirker årsaken som forårsaker den. .

Lenz regel uttrykker en viktig fysisk egenskap - ønsket til et system for å motvirke endringer i dets tilstand. Denne egenskapen kalles elektromagnetisk treghet .

Lov om elektromagnetisk induksjon (Faradays lov).

Uansett årsak til endringen i den magnetiske fluksen dekket av en lukket ledende krets, som oppstår i emk-kretsen. induksjon er gitt av formelen

Naturen til elektromagnetisk induksjon.

For å avklare de fysiske årsakene som fører til fremveksten av emf. Ved induksjon vurderer vi to tilfeller etter hverandre.

1. Kretsen beveger seg i et konstant magnetfelt.

handle kraft

Den elektromotoriske kraften som skapes av dette feltet kalles elektromotorisk induksjonskraft . I vårt tilfelle

Minustegnet er plassert her fordi tredjepartsfeltet rettet mot den positive bypass av kretsen bestemt av høyre skrueregel. Arbeid er økningshastigheten i konturområdet (økning i areal per tidsenhet), derfor

Hvor
- økning av magnetisk fluks gjennom kretsen.

Det oppnådde resultatet kan generaliseres til tilfellet med vilkårlig orientering av magnetfeltinduksjonsvektoren i forhold til konturplanet og til enhver kontur som beveger seg (og/eller deformeres) på en vilkårlig måte i et konstant ujevnt eksternt magnetfelt.

Så, eksitasjonen av emf. induksjon når kretsen beveger seg i et konstant magnetfelt forklares av virkningen av den magnetiske komponenten av Lorentz-kraften, proporsjonal med
, som oppstår når lederen beveger seg.

2. Kretsen er i ro i et vekslende magnetfelt.

Den eksperimentelt observerte forekomsten av en induksjonsstrøm indikerer at det i dette tilfellet oppstår fremmede krefter i kretsen, som nå er forbundet med et tidsvarierende magnetfelt. Hva er deres natur? Svaret på dette grunnleggende spørsmålet ble gitt av Maxwell.

Siden lederen er i ro, hastigheten på den bestilte bevegelsen av elektriske ladninger
og derfor en magnetisk kraft proporsjonal med
, er også lik null og kan ikke lenger sette ladninger i bevegelse. Men i tillegg til den magnetiske kraften, er den eneste kraften som kan virke på en elektrisk ladning det elektriske feltet, lik . Derfor gjenstår det å konkludere med det indusert strøm er forårsaket av det elektriske feltet , som oppstår når det eksterne magnetfeltet endres over tid. Det er dette elektriske feltet som er ansvarlig for utseendet til emf. induksjon i en stasjonær krets. I følge Maxwell, et tidsvarierende magnetfelt genererer et elektrisk felt i det omkringliggende rommet. Forekomsten av et elektrisk felt er ikke assosiert med tilstedeværelsen av en ledende krets, som bare gjør det mulig å oppdage eksistensen av dette feltet ved utseendet av en induksjonsstrøm i det.

Formulering lov om elektromagnetisk induksjon , gitt av Maxwell, er en av de viktigste generaliseringene av elektrodynamikk.

Enhver endring i magnetfeltet over tid eksiterer et elektrisk felt i det omkringliggende rommet .

Den matematiske formuleringen av loven om elektromagnetisk induksjon i Maxwells forståelse er:

Sirkulasjon av spenningsvektoren av dette feltet langs enhver fast lukket kontur bestemmes av uttrykket

Hvor - magnetisk fluks som trenger inn i kretsen .

Det partielle deriverte tegnet som brukes for å indikere endringshastigheten til magnetisk fluks indikerer at kretsen er stasjonær.

Strømningsvektor gjennom en overflate avgrenset av en kontur , er lik
Derfor kan uttrykket for loven om elektromagnetisk induksjon omskrives som følger:

Dette er en av ligningene i Maxwells ligningssystem.

Det faktum at sirkulasjonen av det elektriske feltet eksitert av et tidsvarierende magnetfelt er ikke null betyr at det aktuelle elektriske feltet ikke potensial.Det, som magnetfeltet, er virvel.

Generelt det elektriske feltet kan representeres av vektorsummen av potensialet (felt med statiske elektriske ladninger, hvis sirkulasjon er null) og virvel (på grunn av et tidsvarierende magnetfelt) elektriske felt.

På grunnlag av fenomenene vi har vurdert, som forklarer loven om elektromagnetisk induksjon, er det ikke noe merkbart generelt prinsipp som lar oss fastslå fellesheten til deres fysiske natur. Derfor bør disse fenomenene betraktes som uavhengige, og loven om elektromagnetisk induksjon - som et resultat av deres felles handling. Desto mer overraskende er det at emf. Induksjon i en krets er alltid lik endringshastigheten for magnetisk fluks gjennom kretsen. I tilfeller hvor feltet også endres og plasseringen eller konfigurasjonen av kretsen i magnetfeltet, emf. induksjon skal beregnes ved hjelp av formelen

Uttrykket på høyre side av denne likheten representerer den totale deriverte av den magnetiske fluksen med hensyn til tid: det første leddet er assosiert med endringen i magnetfeltet over tid, det andre med kretsens bevegelse.

Vi kan si at i alle tilfeller er den induserte strømmen forårsaket av den totale Lorentz-kraften

Hvilken del av den induserte strømmen er forårsaket av den elektriske og hvilken magnetisk komponent av Lorentz-kraften avhenger av valg av referansesystem.

Om arbeidet til Lorentz- og Ampere-styrkene.

Av selve definisjonen av arbeid følger det at en kraft som virker i et magnetfelt på en elektrisk ladning og vinkelrett på hastigheten ikke kan utføre arbeid. Men når en leder med strøm beveger seg og bærer ladninger med seg, fungerer Ampere-kraften fortsatt. Elektriske motorer er et tydelig bevis på dette.

Denne motsetningen forsvinner hvis vi tar i betraktning at bevegelsen til en leder i et magnetfelt uunngåelig er ledsaget av fenomenet elektromagnetisk induksjon. Derfor, sammen med Ampere-kraften, utføres arbeid på elektriske ladninger også av den elektromotoriske induksjonskraften som oppstår i lederen. Dermed består det totale arbeidet til magnetfeltkreftene av det mekaniske arbeidet forårsaket av Ampere-kraften og arbeidet til emk indusert av bevegelsen til lederen. Begge jobbene er like store og motsatte i fortegn, så summen deres er null. Faktisk er arbeidet utført av amperekraften under elementær bevegelse av en leder med strøm i et magnetfelt lik
, i løpet av samme tid emf. induksjon virker

deretter fullt arbeid
.

Amperekrefter virker ikke på grunn av energien til det eksterne magnetfeltet, som kan forbli konstant, men på grunn av emk-kilden som opprettholder strømmen i kretsen.

Faradays lov om elektromagnetisk induksjon.

Vi har undersøkt i tilstrekkelig detalj tre forskjellige, ved første øyekast, varianter av fenomenet elektromagnetisk induksjon, forekomsten av en elektrisk strøm i en ledende krets under påvirkning av et magnetisk felt: når en leder beveger seg i et konstant magnetfelt; når magnetfeltkilden beveger seg; når magnetfeltet endres over tid. I alle disse tilfellene er loven om elektromagnetisk induksjon den samme:
Emf for elektromagnetisk induksjon i kretsen er lik endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom kretsen, tatt med motsatt fortegn

uavhengig av årsakene som fører til en endring i denne flyten.
La oss avklare noen detaljer i formuleringen ovenfor.
 Først. Den magnetiske fluksen gjennom kretsen kan endres på hvilken som helst måte, det vil si funksjonen Ф(t) trenger ikke alltid være lineær, men kan være hva som helst. Hvis den magnetiske fluksen endres i henhold til en lineær lov, er den induserte emk i kretsen konstant, i dette tilfellet verdien av tidsintervallet Δt kan være vilkårlig, er verdien av relasjonen (1) i dette tilfellet ikke avhengig av verdien av dette intervallet. Hvis strømmen endres på en mer kompleks måte, er størrelsen på emk ikke konstant, men avhenger av tid. I dette tilfellet bør tidsintervallet som vurderes betraktes som uendelig, så blir forhold (1) fra et matematisk synspunkt til den deriverte av den magnetiske fluksfunksjonen med hensyn til tid. Matematisk er denne overgangen fullstendig analog med overgangen fra gjennomsnittlig til øyeblikkelig hastighet i kinematikk.
 Sekund. Konseptet vektorfeltstrøm gjelder kun for en overflate, så det er nødvendig å avklare hvilken overflate som diskuteres i lovens formulering. Imidlertid er magnetfeltfluksen gjennom enhver lukket overflate null. Derfor, for to forskjellige overflater som hviler på konturen, er de magnetiske fluksene de samme. Se for deg en strøm av væske som strømmer ut av et hull. Uansett hvilken overflate du velger, hvis grense er grensene til hullet, vil strømmene gjennom dem være de samme. En annen analogi er passende her: hvis arbeidet til en kraft langs en lukket kontur er null, avhenger ikke arbeidet til denne kraften av formen på banen, men bestemmes bare av start- og sluttpunktene.
 Tredje. Minustegnet i formuleringen av loven har en dyp fysisk betydning; faktisk sikrer det oppfyllelsen av loven om bevaring av energi i disse fenomenene. Dette tegnet er et uttrykk for Lenz regel. Kanskje er dette det eneste tilfellet i fysikk da ett tegn fikk sitt eget navn.
Som vi har vist, er i alle tilfeller den fysiske essensen av fenomenet elektromagnetisk induksjon den samme og er kort formulert som følger: et vekslende magnetfelt genererer et elektrisk virvelfelt. Fra dette feltsynspunktet uttrykkes loven om elektromagnetisk induksjon gjennom egenskapene til det elektromagnetiske feltet: sirkulasjonen til den elektriske feltstyrkevektoren langs en hvilken som helst krets er lik endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom denne kretsen

I denne tolkningen av fenomenet er det vesentlig at det elektriske virvelfeltet oppstår når magnetfeltet endres, uavhengig av om det er en reell lukket leder (krets) som strømmen oppstår i eller ikke. Denne virkelige kretsen kan spille rollen som en enhet for å oppdage det induserte feltet.
Til slutt understreker vi nok en gang at elektriske og magnetiske felt er relative, det vil si at deres egenskaper avhenger av valget av referansesystemet der deres beskrivelse er gitt. Denne vilkårligheten i valg av referansesystem, i valg av beskrivelsesmetode fører imidlertid ikke til noen motsetninger. De målte fysiske størrelsene er invariante og avhenger ikke av valg av referansesystem. For eksempel avhenger ikke kraften som virker på et ladet legeme fra det elektromagnetiske feltet av valget av referanseramme. Men når det er beskrevet i noen systemer, kan det tolkes som Lorentz-kraften, i andre kan en elektrisk kraft "tilføres" til den. Tilsvarende (selv som en konsekvens) avhenger ikke den induserte emf i kretsen (styrken til den induserte strømmen, mengden varme som frigjøres, mulig deformasjon av kretsen, etc.) av valget av referansesystem.
Som alltid kan og bør valgfriheten som gis brukes - det er alltid mulighet til å velge den beskrivelsesmetoden du liker best - som den enkleste, mest visuelle, mest kjente osv.

Fenomen elektromagnetisk induksjon ble oppdaget av en fremragende engelsk fysiker M. Faraday i 1831. Den består i forekomsten av elektrisk strøm i en lukket ledende krets ved endring over tid magnetisk fluks gjennomboring av konturen.

Magnetisk fluks Φ gjennom området S konturen kalles verdien

Hvor B– modul magnetisk induksjonsvektor, α er vinkelen mellom vektoren og normalen til konturplanet (fig. 1.20.1).

Definisjonen av magnetisk fluks er lett å generalisere til tilfellet med et uensartet magnetfelt og en ikke-plan krets. SI-enheten for magnetisk fluks kalles Weber (Wb). En magnetisk fluks lik 1 Wb skapes av et magnetfelt med en induksjon på 1 T, som trenger inn i normal retning en flat kontur med et areal på 1 m2:

Faraday etablerte eksperimentelt at når den magnetiske fluksen endres i en ledende krets, oppstår en indusert emf ind, lik endringshastigheten til den magnetiske fluksen gjennom overflaten avgrenset av kretsen, tatt med et minustegn:

Denne formelen kalles Faradays lov .

Erfaring viser at induksjonsstrømmen som eksiteres i en lukket sløyfe når den magnetiske fluksen endres, alltid er rettet på en slik måte at magnetfeltet den skaper hindrer endringen i den magnetiske fluksen som forårsaker induksjonsstrømmen. Denne uttalelsen, formulert i 1833, kalles Lenz sin regel .

Ris. 1.20.2 illustrerer Lenz sin regel ved å bruke eksemplet med en stasjonær ledende krets som er i et jevnt magnetfelt, hvis induksjonsmodul øker med tiden.

Lenz sin regel gjenspeiler det eksperimentelle faktum at ind og alltid har motsatte fortegn (minustegnet i Faradays formel). Lenz regel har en dyp fysisk betydning - den uttrykker loven om bevaring av energi.

En endring i den magnetiske fluksen som trenger inn i en lukket krets kan oppstå av to årsaker.

1. Den magnetiske fluksen endres på grunn av bevegelsen av kretsen eller dens deler i et tidskonstant magnetfelt. Dette er tilfellet når ledere, og med dem gratis ladningsbærere, beveger seg i et magnetfelt. Forekomsten av indusert emk forklares med virkningen av Lorentz-styrken på gratis ladninger i bevegelige ledere. Lorentz kraft spiller i dette tilfellet rollen som en ytre kraft.

La oss vurdere, som et eksempel, forekomsten av en indusert emk i en rektangulær krets plassert i et jevnt magnetfelt vinkelrett på kretsens plan. La en av sidene av konturen være av lengde l glir i fart langs de to andre sidene (fig. 1.20.3).

Lorentz-styrken virker på de gratis ladningene i denne delen av kretsen. En av komponentene i denne kraften knyttet til bærbar ladningshastighet, rettet langs lederen. Denne komponenten er vist i fig. 1.20.3. Hun spiller rollen som en ekstern kraft. Modulen er lik

I henhold til definisjonen av EMF

For å etablere tegnet i formelen som forbinder ind og det er nødvendig å velge den normale retningen og den positive retningen for å krysse konturen som er konsistente med hverandre i henhold til den riktige gimlet-regelen, som er gjort i fig. 1.20.1 og 1.20.2. Hvis dette gjøres, er det lett å komme frem til Faradays formel.

Hvis motstanden til hele kretsen er lik R, da vil en indusert strøm flyte gjennom den lik Jeg ind = ind / R. I løpet av tiden Δ t på motstand R vil skille seg ut Joule varme

Spørsmålet oppstår: hvor kommer denne energien fra, siden Lorentz-kraften ikke virker! Dette paradokset oppsto fordi vi tok hensyn til arbeidet til bare én komponent av Lorentz-styrken. Når en induksjonsstrøm flyter gjennom en leder plassert i et magnetfelt, vil en annen komponent av Lorentz-kraften, assosiert med slektning hastigheten for bevegelse av ladninger langs en leder. Denne komponenten er ansvarlig for utseendet Ampere styrker. For tilfellet vist i fig. 1.20.3, Ampere kraftmodulen er lik F A= I B l. Amperes kraft er rettet mot bevegelsen til lederen; derfor gjør den negativt mekanisk arbeid. I løpet av tiden Δ t denne jobben EN pels er lik

En leder som beveger seg i et magnetfelt som en indusert strøm flyter gjennom magnetisk bremsing . Det totale arbeidet utført av Lorentz-styrken er null. Joule-varme i kretsen frigjøres enten på grunn av arbeidet til en ekstern kraft, som opprettholder hastigheten til lederen uendret, eller på grunn av en reduksjon i lederens kinetiske energi.

2. Den andre grunnen til endringen i den magnetiske fluksen som penetrerer kretsen, er endringen i tid til magnetfeltet når kretsen er stasjonær. I dette tilfellet kan forekomsten av indusert emf ikke lenger forklares med virkningen av Lorentz-kraften. Elektroner i en stasjonær leder kan bare drives av et elektrisk felt. Dette elektriske feltet genereres av et tidsvarierende magnetfelt. Arbeidet til dette feltet når du flytter en enkelt positiv ladning langs en lukket krets er lik den induserte emk i en stasjonær leder. Derfor er det elektriske feltet som genereres av det skiftende magnetiske feltet er ikke potensiell . Han blir kalt virvel elektrisk felt . Konseptet med et elektrisk virvelfelt ble introdusert i fysikken av den store engelske fysikeren J. Maxwell i 1861

Fenomenet elektromagnetisk induksjon i stasjonære ledere, som oppstår når det omkringliggende magnetfeltet endres, er også beskrevet av Faradays formel. Dermed fenomenene induksjon i bevegelige og stasjonære ledere fortsett på samme måte, men den fysiske årsaken til forekomsten av den induserte strømmen viser seg å være forskjellig i disse to tilfellene: i tilfelle av bevegelige ledere skyldes den induserte emk Lorentz-kraften; når det gjelder stasjonære ledere, er den induserte emk en konsekvens av virkningen på frie ladninger av det elektriske virvelfeltet som oppstår når magnetfeltet endres.