В первой половине XIX века произошли революционные открытия в области электричества и магнетизма, которые легли в основу современной электротехники. Одним из ключевых законов, сформулированных в то время, стала взаимосвязь магнитного поля с электрическим током. Этот закон был открыт английским физиком Майклом Фарадеем в результате его экспериментальной работы в 1831 году.
Идея о взаимосвязи электричества и магнетизма высказывалась и до Фарадея — Эрстедом и Ампером, но именно он смог подтвердить влияние магнитных явлений на электрические и найти для них теоретическое обоснование. Фарадей решил задачу «превращения магнетизма в электричество», хотя параллельно с ним над той же проблемой работал исследователь Генри, а окончательно теорию электромагнитной индукции сформулировал Максвелл много лет спустя.
Два опыта, проведённых Фарадеем, имеют особое значение для теории электромагнетизма: опыт с магнитом и проволочной катушкой и опыт с двумя проволочными катушками.
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. При этом важно, чтобы магнит двигался, иначе электрический ток не возникает. Когда магнит вводится в катушку, в цепи возникает электрический ток одного направления (например, стрелка гальванометра отклоняется вправо), а 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.
Электрический ток, возникающий при движении магнита внутри катушки или рядом с ней, называется индукционным (самонаводящимся).
Наблюдения Фарадея за взаимодействием магнита и катушки с проводником стали основой современной электротехники. На этом принципе работают современные электродвигатели постоянного тока.
Опыт с двумя катушками
В ходе этого опыта по одной из катушек пропускали ток, а к другой был подключён гальванометр. В момент начала или окончания пропускания тока по первой катушке стрелка гальванометра, подключенного ко второй, колебалась. Этот опыт показал, что можно не только превратить магнетизм в электричество, но и наоборот. Переменный ток, пропускаемый через одну из двух расположенных близко друг к другу катушек, превращал её 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), которая может быть выражена формулой:
, где t — это время.
Определение:
ЭДС равна отрицательной скорости изменения магнитного потока (формула Фарадея).
Знак минус здесь связан с правилом Ленца, которое определяет направление индукционного тока.
Определение:
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 находится в неподвижном магнитном поле. Рассмотрим источник переменной ЭДС.
Вращаясь в равномерном магнитном поле, рамка пересекает силовые линии его магнитного поля. В каждой из её 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.
Интенсивность индуцируемого тока в сторонах рамки варьируется в зависимости от того, как быстро они пересекают линии магнитного поля. Когда плоскость рамки расположена параллельно силовым линиям, скорость их пересечения максимальна, а значит, и ЭДС будет наибольшим.
Если рамка вращается равномерно, в ней возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая периодически меняется как по величине, так и по направлению.