Заняття № 43 ____2013р.

Тема: Явище магнітної індукції. Правило Ленца. ЕРС індукції. Закон Фарадея-Максвелла. Вихрові струми

Основні положення та означення.

1. У 1819 році Ерстед встановив, що навколо провідника із струмом існує магнітне поле, а в 1821році Майкл Фарадей поставив перед собою завдання за допомогою магнітного поля отримати електричний струм. Це завдання він виконав у 1831р. відкривши явище електромагнітної індукції, суть якого полягає в тому, що у довільному замкненому провідному контурі виникає струм при будь якій зміні магнітного потоку, який пронизує даний контур. Такий струм назвали індукційним.
2. Для утворення індукційного струму необхідне змінне магнітне поле.
3. Нагадаємо, що у замкненому контурі існує струм коли там діє електрорушійна сила. Тому явище електромагнітної індукції у більш загальному випадку розглядають як виникнення ЕРС, яку називають ЕРС індукції: у довільному замкненому провідному контурі виникає електрорушійна сила індукції при будь якій зміні магнітного потоку, який пронизує даний контур.
4. Явище електромагнітної індукції описують законом Максвела: Електрорушійна сила індукції у контурі пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує даний контур. (величину називають швидкістю зміни магнітного потоку) якщо контур містить один виток - якщо контур містить N витків -
5. Знак мінус у законі Максвела відображає правило Лєнца: індукційний струм завжди має такий напрям, що його дія протидіє причині яка викликала струм. Це твердження розуміють так: ЕРС індукції спричинює струм такого напрямку, при якому його магнітне поле зменшує магнітний потік через контур.
6. Поява електрорушійної сили у контурі – це результат дії сторонніх сил. Під час явища електромагнітної індукції роль сторонніх сил виконує сила Лоренца. Отже причиною явища електромагнітної індукції є дія сили Лоренца на вільні електрони.
7. Одним із найпростіших випадків виникнення явища електромагнітної індукції є рух прямого провідника у магнітному полі із деякою швидкістю. На кінцях такого провідника індукується ЕРС, яку визначають за формулою , де - кут між векторами і .
8. Якщо замкнений провідний контур має опір R то силу індукційного струму визначають за формулою - , а заряд, що пройшов по контуру - .

У масивних провідниках зі зміною магнітного потоку, що їх пронизує, індукуються замкнені електричні струми, які називають вихровими або струмами Фуки. Фізична природа цих струмів така сама, як і довільних індукційних струмів. Вихрові струми ви­никають або під час руху масивних провідників у магнітному полі, або при розміщенні їх у змінних магнітних полях. Ці струми замикаються безпосередньо в об'ємі провідника у вигляді вихороподібних замкнених ліній. За правилом Ленца вихрові струми напрямлені так, що їхнє магнітне поле протидіє змінам потоку магнітної індукції, який спричинив ви­никнення вихрових струмів. Це можна спостерігати, наприклад, під час руху магніту над провідною поверхнею. При цьому вихрові струми створюють галь­мівну силу, пропорційну швидкості ру­ху, подібно до механічних в'язких сил. Наочно продемонструвати дію вихрових струмів можна за допомогою маятника із товстого листового алю­мінію. Поки обмотки електромагніту не з'єднані з джерелом струму, доти магнітного поля між його полюсами не­має, і маятник може вільно коливатись досить довгий час. Якщо увімкнути струм, то між полюсами електромагніту виникає магнітне поле, яке під час руху маятника індукує в його об'ємі вихрові струми, що спричиняє, за правилом Ленца, виникнення гальмівних сил, і коливання маятника швидко затухають. Якщо суцільний маятник замінити гребінчастим, то ефект вихрових струмів зменшується і такий маят­ник буде коливатись значно довший час.

Струми Фуко в одних випадках відіграють корисну роль, в інших — шкідливу. Відповідно в першому випадку їх намагаються збільшити, у другому — зменшити. Корисну роль відіграють вихрові струми в роторах асинхронних електричних двигунів, оскільки в основі їхнього принципу роботи лежить явище виникнення струмів Фуко. Використовуючи змінні магнітні поля, можна зумовити появу знач­них вихрових струмів і за допомогою їх нагрівати або й плавити ме­тали (індукційні печі). В окремих випадках цей спосіб зручніший порівняно з інши­ми. Разом з тим в осердях електромагнітів, трансформаторів, інших електротехнічних пристроїв виникнення значних вихрових струмів є шкідливим, оскільки призводить до їхнього перегрівання, втрати електричної енергії. У цих випадках намагаються зменшити вихрові струми переважно способом набору осердь з окремих тонких плас­тинок магнітного матеріалу, ізольованих одна від одної діелектриком.