Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция — это возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Явление открыл Майкл Фарадей в 1831 году, и оно лежит в основе работы всех генераторов электроэнергии.

Магнитный поток

Магнитным потоком через поверхность называют величину:

Ф = B · S · cos α, где S — площадь контура, α — угол между вектором индукции и нормалью к поверхности.

Единица магнитного потока — вебер (Вб). Поток можно изменить тремя способами: меняя индукцию B, площадь S или ориентацию контура (угол α).

Закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, взятой с противоположным знаком:

ε = − ΔФ / Δt

Знак «минус» отражает правило Ленца.

Правило Ленца

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать тому изменению потока, которое его вызвало.

Это следствие закона сохранения энергии: если бы ток усиливал причину, энергия возникала бы из ничего. Чтобы поддерживать индукционный ток, всегда приходится совершать работу против сил поля — именно за счёт этой работы и вырабатывается электроэнергия на генераторах.

Чтобы определить направление индукционного тока на практике, удобно рассуждать так: сначала понять, растёт магнитный поток через контур или убывает, а затем направить ток так, чтобы его собственное поле либо ослабляло растущий поток, либо поддерживало убывающий.

Самоиндукция и индуктивность

При изменении тока в самой катушке меняется и созданный им магнитный поток, поэтому в катушке возникает ЭДС самоиндукции. Она препятствует как нарастанию, так и убыванию тока, из-за чего ток в цепи с катушкой не может измениться мгновенно. Свойство катушки характеризуют индуктивностью L (единица — генри, Гн). Она зависит от числа витков, размеров катушки и наличия сердечника. Энергия магнитного поля катушки выражается формулой:

W = L · I² / 2

Разбор примера

Магнитный поток через контур уменьшился с 0,8 Вб до 0,2 Вб за 0,3 с. Найдём модуль ЭДС индукции.

ε = ΔФ / Δt = (0,8 − 0,2) / 0,3 = 2 В.

Частые ошибки. ЭДС зависит не от величины потока, а от скорости его изменения. Если поток постоянен, ток не возникает, даже когда поле сильное.

Кратко о главном

• Индукция возникает при изменении магнитного потока через контур.
• Магнитный поток: Ф = B · S · cos α, измеряется в веберах.
• Закон Фарадея: ε = − ΔФ / Δt.
• Правило Ленца — следствие закона сохранения энергии.
• Энергия магнитного поля катушки: W = L · I² / 2.