47
Электромагнитная индукция
Доктор физико-mатематических наук
С. М. КОЗЕЛ
Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадем в 1831 году. Это открытие показало, что между электрическим и магнитным полями имеется технология связи — изменяющеся во времене магнитное поле порождает электрическое. Примерно через 30 лет Максвеллу удалось показать, что изменяющеся электрическое поле в свою очередь порождает магнитное. В этих двух великих открытиях прошло века заключена, по существу, все современная наука об электромагнитных полях. Они позволили предсказать существование радиоволн, даь обязывание электромагнитной природы света.
В результате многочисленных и разнообразных опытов Фарадей установил колiectвенный связь между ЭДС индукции и скоростью изменения магнитного потока , произвольно его замкнутый контур (закон Фарадея):
В более строгой математической записи выражается через первую произвольную магнитного потока по времени: .
Обыты по электромагнитной индукции, поставленные Фарадем, можно разделить на две группы. К первой группе относятся опыты с проводниками, движущимся в магнитном поле. В этом случае возникнет ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца. При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Сила Лоренца, действующая на эти заряды, вызывает их перемещение относительно проводника.
На рисунке 1 изображена схема одного из таких опытов. В магнитном поле постоянного магнита находится замкнутая проводочная рамка, в цепь которой включает галванометр Г. Рамка удаляется со скоростью от южного полока магнита, а ее плоскость остается перpendикулярной оси магнита. При движении в рамках возникнет индукционный ток. Формула Фарадея позволяет найти направление индукционного тока.
Вопрос 1. Каков физический смысл знака «—» в формуле для ?
Для определения направления индукционного тока нам необходимо
48
прежде всего задать положительное направление тока в рамке и направление положительной нормали к плоскости рамки (которая определяет знак магнитного потока). Эти два направления должны согласованы по правилалу правого вината (буравчика). Так, если на рисунке 1 выбрать направление положительной нормали к плоскости рамки слева направо, то положительное направление тока должна быть выбрано против часовой стрелки (если смотреть на рамку состояны магнитна). При таком выборе магнитный поток, произвольной контур рамки, , но при удалении рамки от магнита поток уменшается и, следовательно, . Из закона Фарадей следует, что .
Если рамка обладает активным сопротивлением , то индукционный ток . Это означает, что ток будет течь против часовой стрелки.
Разобранное здесь правило знаков часто ускользает от внешания абитурентов. А между тем знак «—» в законе Фарадей обеспечивает выполнение закона сохранения энергии. В нашем примере на каждый элемент рамки, по которым течет индукционный ток, будет действовать сила Ампера . Горизонтальная составляющая этой силы направлена против движения рамки. Таким образом, в соответствии с законом сохранения и превращения энергии рамка будет испытывать торможение, а в самом рамке будет выделяться джоулево телло.
Индукционный ток в рамке возникнет не только при ее поступательном движении, но и при вращении или деформации рамки в магнитном поле. Важно только, чтобы изменялся магнитный поток, произвольной рамку.
Опыт показывает, что если рамку оставить неподвижной, а перемещать магнит, то индукционные явления протекают точно так же, как и при движении рамки. Индукционный ток зависит только от относительной движения рамки и магнита. Закон Фарадей применим и в этом случае, одноко объяснение явления теперь оказывается совершенно другим. В неподвижных контурах сила Лоренца не может вызвать движения зарядов по проводникам. Ответственным за возникновение в этом случае является электрическое поле, возникшее при изменении магнитного поля. Это поле называют вихревым, потому что, в отличие от электростатического поля, его силовые линии могут быть замкнуты.
Вопрос 2. Какова количество связь вхревого электрического поля с ?
По определению электрижущая сила равна работе сил, действующих на единичный положительный заряд при его перемещении по замкнутой траектории. В электростатическом поле эта работа всегда равна нулю (такие поля называют потенциальными). В вихревом электрическом поле она может быть отлична от нуля. Эта работа и равна .
В качестве примера рассмотрим магнитное поле между положами электромагнита (рис. 2). Пусть, для простоты, положы цилиндрические, так что магнитное поле в области, близкой к оси, можно считать одноподным. Если магнитное поле будет изменяться со временем, то взаоре электромагнита возникнет вихревое электрическое поле, силиовые линии которого представляют собой концентри
49
трическое окружности. Выделим окружность радиусом . Работу вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по этой окружности можно записать в виде
Отсюда
Направление линейнапряженности вихревого электрического поля на рисунке 2 показано для случая, когда индикция магнитного поля возвращает со временем.
Представление о вихревом электрическом поле было введено Максвеллом. По Максвеллу, существуя является электримагнитной индукции состоит в возникновении вихревого электрического поля, которое может возвращаться не обязательно в проводниках. Оно может возникнуть и в пространстве, где нет никаких проводников. Вихревое электрическое поле, порождаенное изменяющимся магнитным полем, может пройвиться в действии на отдельные заряженные частицы в вакууме, как, например, вускоритель электровоз — бетатрон (см. задачу 4).
Рассмотрим теперь ряд задач на индукционные явления в движущихся и неподвижных проводниках.
Задача 1. По двум вертикальным параллельным рейкам, замкнутым в верхней части через резistor с сопротивлением Ом и батарею с ЭДС В, без треня скольчит стержень CD, длина которого см и масса г (рис. 3). Система нахождения в однородном магнитном поле с индукцией Тл. Вектор перpendicular плоскости чертежа и направлен к читателю. Найдите установившуюся скорость стержня. При каком соответствии между параметрами задачи установившаяся скорость будет направлена вверх?
Рассмотрим контур ACDK,ащтрихованный на рисунке 3. При движении стержня в нем будет возникать . За положительное направление тока в этом контуре выберем направление против часовой стрелки. Тогда положительная нормаль к плоскости контура направлена к читателю и, следовательно, магнитный поток
При движении стержня визм магнитный поток через контур увеличивается: . Если скорость падения обозначить через , то .
Запишем теперь закон Ома для контура ACDK:
К этому уравнению нужно добавить условия постоянства скорости: при установившемся движении сила тяжестеги компенсируется амператорой силой , действующей на стержень с стороны магнитного поля. Применяя правило левой руки, легко убедиться, что амператора сила будет направлена вверх, когда ток в стержне течет справа налево, то есть при . Следовательно,
Отсюда
Подставляя числовые данные, найдем: м/c > 0 — стержень действующего движения.
Для того чтобы установившаяся скорость оказалась направленной вверх, должно выполнять условие
В.
Обратим внимание на то, что из написанных формул вытекает очень важное энергетическое соотношение:
Джоулево теплло , выделяющееся в единицу времени на сопротивлении , равно сумме работы батареи — (эта работа положительная, так как ) и силы тяжестеги за это же время. Magнитное поле работает не совершает!
51
Задание 4. Вускорите электронов — бетатроне — роль ускоряющего поля црает вхревое электрическое поле, возбуждаемое изменением магнитного потока, произвлающего орбиту электронов. Считая радус орбиты электронов неизменным, определяте необходимое для этого в данной момент времени соответствие между средним магнитным полем , произвлающего орбиту электронов, и магнитным полем на орбите . Магнитное поле параллельно оси симметрины вакуумной камеры бетатрона.
Физика этой задачи состоит в том, что вхревое электрическое поле и сообщаемая этим полем электрону скорость определяются изменением среднего значения магнитного поля, произвлающего орбиту, а сила Лоренца, удерживающая электрон, зависит от магнитного поля на самом орбите.
Провода те же рассуждания, что и при решении предыдущего задачи, запишем
Из условия движения электрона по орбите получим
Таким образом, для стабильной работы бетатрона нужно, чтобы среднее магнитное поле внутри орбиты в любой момент времени было в два раза больше поля на орбите. Следовательно, магнитное поле в центральной части орбиты должно быть больше, чем на самом орбите. Это достигается специальным выбором конфигурации магнитов.
В заключение рассмотрим интересное применение закона электромагнитной индукции к сверхпроводящим катушкам. Сверхпроводники широко использоваются при создании сильных электромагнитов. В замкнутой сверхпроводящей обмотке ток может циркулировать длительное время без источника энергии.
Допустим, что у нас есть короток замкнутая рамка из сверхпроводника. Пусть ток в рамке равен нулю. Внесем рамку во внешнее однородное магнитное поле с индукцией , направленной перpendicularно плоскости рамки.
Вопрос 4. Какой магнитный поток пропизывает рамку?
Надо ответить, что многое абитуренты отвечают на этот вопрос так: магнитный поток равен произведению , где — площадь рамки. Этот ответ неверен. Правильный ответ состоит в том, что магнитный поток, произвлающий орбиту электронов, и магнитный полем на орбите . Магнитное поле параллельно оси симметрины вакуумной камеры бетатрона.
Физика этой задачи состоит в том, что вхревое электрическое поле и сообщаемая этим полем электрону скорость определяется изменением среднего значения магнитного поля, произвлающего орбиту, а сила Лоренца, удерживающая электрон, зависит от магнитного поля на самом орбите. Этот результат вытекает из закона Фарадея. Действительно, для сверхпроводящей замкнутой цепи закон Ома записьается в виде . В левой части этого соответствия стоит падение напряжения на нулевом сопротивлении сверхпроводника, в правой — ЭДС индукции. Отсюда следует, что . Таким образом, замкнутый сверхпроводящий контур является консерватором магнитного полока. Он сохраняет тот магнитный поток, который пропизывает контур в момент перехода в сверхпроводяще состояние. Этот поток нельзя изменить никакими внешними полями (до тех пор, пока сохраняется сверхпроводимость).
Физическая механизм, обеспечивающий сохранение потока, состоит в том, что при изменении внешнего магнитного полока в контуре появляется индукционный ток, магнитное поле которого полностью компенсирует изменение внешнего магнитного полока.
Задание 5. На какую величины изменяется ток в круговой петле из сверхпроводника, если надеть ее на длинный соленод, который подключает к батарее с ЭДС , как показано на рисунке 5? Полное сопротивление цепи соленода , индуктивность петли , индуктивность соленода , его число витков .
Пусть и — начальное и конечное значения ток в петле. Заметим, что ток в соленод не изменяется и остается равным , так что собственный магнитный поток соленода равен . При этом каждый виток соленода пропизывает магнитный поток . Такой же поток (внешний по отношению к петле) пропизывает и петлю, надетую на соленод. Но полный магнитный поток в петле должен оставаться неизменным. Поэтому
или
Двузначность в этих формулах связа-