Первая половина XIX века была ознаменована революционными открытиями в области электричества и магнетизма. Наблюдения, сделанные в то время, служат базисом и для сегодняшней электротехники. Один из открытых тогда физических законов описывает взаимосвязь магнитного поля с электрическим током. Он был сформулирован на основе результатов экспериментальной работы, которую проделал в 1831 г. английский физик Майкл Фарадей.
На взаимосвязь электричества и магнетизма обратили внимание еще предшественники Фарадея - Эрстед и Ампер, но тогдашним ученым еще предстояло подтвердить влияние магнитных явлений на электрические и найти для них теоретическое обоснование. Эту задачу - «превратить магнетизм в электричество» — сформулировал и решил Фарадей, хотя следует отметить, что параллельно с ним над той же проблемой трудился исследователь Генри, а окончательно теорию электромагнитной индукции сформулировал много лет спустя Максвелл.
Наибольшее значение для теории электромагнемизма имеют два опыта, проведенных Фарадеем:
- опыт с магнитом и проволочной катушкой;
- опыт с двумя проволочными катушками.
Рисунок 1. Опыты Фарадея.
Рассмотрим связанные с ними физические явления и математические закономерности.
Опыт с катушкой и магнитом
Взаимодействие движущегося магнита и катушки, намотанной из проводника, порождает электрический ток. Магнит при этом обязательно должен двигаться. Простое наличие неподвижного магнита вблизи катушки электрического тока не производит. Более того, при введении магнита в катушку в цепи возникает электрический ток одного направления (стрелка гальванометра отклоняется, например, вправо); при выведении магнита из катушки стрелка отклоняется в противоположную сторону. Таким образом, характер тока зависит от скорости и направления движения магнита, а также от того, каким полюсом он вставляется в катушку.
Возникающий при движении магнита внутри катушки или близ ее ток называется индукционным (самонаводящимся).
Наблюдения Фарадея за взаимодействием магнита и катушки с проводником заложили начала современной электротехники. На этом принципе работают современные электродвигатели постоянного тока (см. пример ниже).
Опыт с двумя катушками
Опыт с двумя катушками заключался в том, что по одной из них пропускали ток, к другой был подключен гальванометр. В момент начала или окончания пропускания тока по первой катушке стрелка гальванометра, подключенного ко второй, колебалась. Этот опыт Фарадея показывал, что не только магнетизм можно превратить в электричество, но и электричество в магнетизм. Переменный ток, пропускаемый через одну из двух расположенных близко друг к другу катушек, превращал ее в магнит, наводящий ток в соседней. Характеристики магнитного поля (полярность, интенсивность) зависели от силы пропускаемого тока.
На принципе взаимодействия катушек с переменным током работают современные трансформаторы, применяемые в электронике и электротехнике.
Электродвижущая сила
Эксперименты Фарадея и его последователей показали, что в контуре электрического проводника при изменении магнитного потока возникает электродвижущая сила (ЭДС), выражаемая формулой:
$\epsilon = -N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$, где $t$ - время.
ЭДС равна отрицательной скорости изменения магнитного потока (формула Фарадея).
Знак минус здесь связан с правилом Ленца, по которому определяется направление индукционного тока.
Правило Ленца гласит, что возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, при котором созданный им поток магнитной индукции через площадку ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение потока магнитной индукции, которое вызывает данный ток.
Одно из практических применений явление электромагнитной индукции нашло в конструировании электродвигателей и электрогенераторов. Ток можно вырабатывать в системах, где магнит вращается в токопроводящем контуре или, напротив, контур в неподвижном магнитном поле. Рассмотрим источник переменной ЭДС.
Рисунок 2. Схемы работы электрогенераторов.
Вращаясь в равномерном магнитном поле, рамка пересекает силовые линии его магнитного поля. В каждой из ее сторон, параллельных оси вращения, наводится ЭДС.
Стороны рамки, перпендикулярные оси вращения, не пересекают силовых линий и ЭДС не создают.
На противоположных сторонах рамки возникают противоположные по направлению ЭДС. Для определения направления силы используется правило правой руки: ладонь следует расположить так, чтобы она была обращена в сторону северного полюса магнита, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения той стороны рамки, в которой требуется определить направление ЭДС. Его укажут вытянутые пальцы руки.
Рисунок 3. Правило правой руки.
Не трудно заметить, что на сторонах, параллельных оси вращения рамки, электродвижущие силы всегда складываются. При этом по мере вращения рамки направление общей ЭДС изменяется в ней на обратное, поскольку каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами магнита. Сила индуцируемого тока в сторонах рамки также изменяется по мере изменения скорости, с которой они пересекают линии магнитного поля. Когда плоскость рамки параллельна силовым линиям, скорость пересечения силовых линий сторонами и, следовательно, ЭДС максимальны.
Таким образом, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться ЭДС, периодически изменяющаяся как по величине, так и по направлению.
