Взаимная связь между электричеством и магнетизмом проявляет себя в явлении электромагнитной индукции: переменное магнитное поле вызывает электрический ток в проводнике, поскольку, если изменяется магнитное поле, то появляется электрическое поле.
В этой связи, говорят о едином электромагнитном поле, объединяющем электрическое и магнитное поля в их взаимосвязи.
Явление электромагнитной индукции
Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Это поле легко можно обнаружить по его воздействию на магнитную стрелку или другой проводник с током. Многочисленные эксперименты, проводимые учеными, чтобы обнаружить явления, при которых магнитное поле создавало бы электрический ток, претерпевали неудачу. Это происходило де тех пор, пока в 1831 году М. Фарадей не заметил, что электрический ток не просто наличием магнитного поля, а возникает тогда, когда магнитное поле изменяется. Явление, обнаруженное М. Фарадеем, было названо электромагнитной индукцией.
Статья: Исследования электромагнетизма
Эксперименты по обнаружению тока индукции
При помощи простых экспериментов можно продемонстрировать существование электромагнитной индукции.
Так, наденем проволочную катушку, которая подключена к гальванометру, на другую катушку по которой идет электрический ток от некоторого источника. Гальванометр покажет, что пока первая катушка неподвижна и ток во второй катушке является постоянным, тока в катушке номер один нет. Но при замыкании и размыкании ключа или при изменении тока во второй катушке, или в случае любого относительного перемещения катушек, гальванометр покажет наличие в первой катушке. Данный ток назван индукционным.
При этом можно увидеть, что отклонение стрелки гальванометра при замыкании ключа происходит в сторону противоположную, отклонению стрелки, если ключ размыкать.
Отклонение стрелки гальванометра при увеличении силы тока во второй катушке происходит в одну сторону, при уменьшении силы тока в той же катушке, стрелка гальванометра будет отклоняться в противоположную сторону.
При надевании первой катушки на вторую направление тока индукции будет противоположным относительно его направленности при снимании катушки один.
Эксперименты Фарадея наглядно показывают, что причиной возникновения тока - это изменение магнитного поля. Как происходит данное изменение, не имеет значения.
Так, переменное магнитное поле можно создать, перемещая постоянный магнит. Стрелка гальванометра будет отклоняться в одну сторону, если магнит вдвигать в катушку и в другую, если магнит выдвигать из нее (рис.1).
Рисунок 1. Переменное магнитное поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Изменение магнитного поля в первой катушке, которая надета на вторую катушку, можно породить, не только изменением силы тока в катушке два, но и движением ненамагниченного железного сердечника, вдвигая его в катушку или выдвигая его.
Фарадей наглядно пояснил то, что происходит в его опытах, применив представление о силовых линиях магнитного поля. Он сделал вывод о том, что ток индукции появляется в проводнике, если контур в который входит этот проводник (или часть контура) пересекает силовые линии поля.
Закон электромагнитной индукции
Во всех приведенных выше экспериментах отклонение стрелки гальванометра, которое говорило о возникновении тока индукции, оказывается тем больше, чем выше скорость изменения магнитного поля.
Проводя анализ экспериментов Фарадея, Максвелл понял, что электродвижущая сила (ЭДС) индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, которую ограничивает проводящий контур:
$Ɛ_{i}=-\frac{dФ}{dt}\left( 1 \right)$.
где $Ф$ - магнитный поток.
Знак минус в выражении (1) соответствует закону Ленца.
Закон Ленца и закон электромагнитной индукции (1) можно понимать как следствие закона сохранения энергии. Исторически явление электромагнитной индукции было установлено до открытия закона сохранения энергии и служит его эмпирическим подтверждением.
Научное значение открытия закона электромагнитной индукции в том, что оно устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями.
Промышленные способы генерации электрической энергии основываются на явлении электромагнитной индукции, в этом его практическое значение.
Самоиндукция
Явление самоиндукции является частным случаем электромагнитной индукции.
Самоиндукцией называют явление при котором изменение магнитного потока, вызывающее ЭДС индукции, создано током в самом исследуемом контуре.
По закону Ленца явление самоиндукции препятствует изменению силы тока в контуре. Так, если цепь, имеющую источник постоянного тока замыкают, то сила тока становится номинальной не в одно мгновение, при размыкании цепи ток не исчезает сразу.
Магнитное поле, которое создается током в контуре или катушке постоянных размеров и формы, в каждой точке пропорционально сил тока $I$. Следовательно, магнитный поток $Ф$, который пронизывает контур. равен:
$Ф=LI$(2),
где $L$ - индуктивность контура (коэффициент самоиндукции). Она связана с размерами, формой контура, магнитными свойствами вещества, в котором находится контур.
Для ЭДС самоиндукции получим закон:
$Ɛ=-L\frac{dI}{dt}\left( 3 \right)$.
Формула (3) показывает, что при постоянных размерах и форме контура ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре.
Эксперименты с самоиндукцией
Самоиндукцию можно наблюдать в эксперименте, если составить цепь как на рис.2. В этой цепи две одинаковые лампочки соединяют с источником тока. Одна из лампочек подключена к источнику через реостат, другая через катушку индуктивности (дроссель). Если ключ замкнуть, то лампочка 1 включается мгновенно, вторая лампочка (2) включается с существенным опозданием. Это происходит, поскольку в катушке появляется ЭДС самоиндукции. Она препятствует увеличению силы тока в данной ветке цепи.
Рисунок 2. Эксперимент с самоиндукцией. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Явление самоиндукции можно обнаружить не только при замыкании цепи, но и при ее размыкании. Это можно обнаружить, если воспользоваться цепью рис.3.
Рисунок 3. Эксперимент с самоиндукцией. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Если ключ замкнут, ток батареи разветвляется:
- часть его идет через гальванометр;
- другая часть через катушку индуктивности.
Если ключ разомкнут, то магнитный поток в катушке убывает, появляется ЭДС самоиндукции, которая пытается препятствовать уменьшению тока сквозь катушку. Поскольку источник уже отключен, ток идет через гальванометр, его направление противоположно начальному, что указывает гальванометр.
ЭДС самоиндукции может быть существенно больше ЭДС источника. В этом заключена опасность резкого отключения от источников мощных электрических двигателей, обмотки которых имеют большую индуктивность. Отключение их производят при помощи реостата, постепенно уменьшая силу тока.
Самоиндукцию можно уподобить инерции в механике.
- Инерция ведет к постепенному изменению скорости тела.
- Самоиндукция не позволяет току одномоментно изменить свою величину в цепи.
Индуктивности катушки $L$ можно поставить в соответствие массу, которая является мерой инертности.
