Электромагнитная индукция — это физическое явление, при котором в проводнике возникает электрический ток или электродвижущая сила в результате изменения магнитного поля, окружающего этот проводник. При этом изменение магнитного поля может быть вызвано любыми причинами. Даже если магнитная индукция остается постоянной, в проводнике можно вызвать появление индукционного тока.
Для формулировки этого закона используется несколько важных физических величин.
Магнитный поток
Магнитный поток — это скалярная (невекторная) физическая величина, которая дает количественное описание прохождения магнитного поля через определенную площадку. У нее есть общепринятое обозначение — Φ (большая греческая буква «фи»). Для измерения значений потоков используются флюксметры.
В системе СИ единица измерения потока, который создает вектор магнитной индукции, называется Вебер (сокращенно, Вб или Wb).
Формула для вычисления магнитного потока:
Φ = В • S • cos α,
где В — модуль вектора индукции магнитного поля, S — площадь, которую пронизывает данный поток, α — угол между вектором В магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоской поверхности. Если поверхность не плоская, то для вычисления потока приходится использовать более сложную формулу, в которой присутствует интеграл.
Формула наглядно показывает, что даже в постоянном магнитном поле можно изменять поток, если поворачивать контур либо растягивать или сжимать его так, чтобы изменялась охватываемая площадь.
Электромагнитная индукция
Честь открытия электромагнитной индукции принадлежит Майклу Фарадею. В 1831 г. он первым опубликовал выводы из своих опытов:
- На непроводящую основу намотана одна катушка и подключена к источнику тока. Витки второй катушки расположены между витками первой катушки. При включении и выключении источника тока индукция магнитного поля, создаваемого током в первой катушке, меняется, и во второй катушке тоже возникает ток.
- Первая катушка подключена к источнику, а вторая — нет. Во второй катушке ток возникает, когда она двигается относительно первой.
- В неподключенной к источнику катушке ток возникает при вдвигании/выдвигании магнита в витки катушки.
На основе проведенных экспериментов был сделан вывод, что индукционный ток возникает исключительно при изменении потока вектора магнитной индукции В. При этом направление индукционного тока противоположно направлению изменения потока при его увеличении и уменьшении. Сила тока определяется скоростью изменения этого потока.
Закон электромагнитной индукции
У этого закона есть и другое название — закон Фарадея. Он записывается следующим образом:
Ɛi = - ΔΦ / Δt,
где Ɛi — ЭДС индукции, ΔΦ — изменение потока магнитного поля, Δt — время, за которое происходят эти изменения.
Если в катушке N витков, то формула приобретает следующий вид:
Ɛi = - N • ΔΦ / Δt.
Сила I индукционного тока, если контур имеет сопротивление R, будет равна:
I = Ɛi / R.
Закон имеет широчайшее применение в современном мире. На нем основывается работа генераторов переменного тока, трансформаторов, а также электромагнитных расходомеров крови, измеряющих скорость движения крови и определяющих сердечный выброс. Кредитные карты, когда ими проводят по терминалу, тоже работают на основе этого закона.
Правило Ленца
Это правило определяет направление индукционного тока, вызванного изменением потока магнитного поля. Оно гласит: индукционный ток всегда направлен таким образом, чтобы поток вектора магнитной индукции создаваемого им поля препятствовал изменению потока магнитной индукции поля, вызвавшего появление этого тока.
Если можно так выразиться, индукционный ток немедленно вступает в «борьбу» с породившим его магнитным полем, стараясь всячески сохранить значение потока. Если внешнее поле вызывает увеличение потока, то индукционный ток будет его ослаблять, и наоборот.
Заключение
Значение закона электромагнитной индукции трудно переоценить. Именно благодаря его существованию и изменению магнитного потока возможно получение электроэнергии. Электромагнитную индукцию используют генераторы, трансформаторы, электродвигатели, индукционные варочные панели, электрические звонки, индукционные лампы, электромагнитные дверные замки и множество других устройств.