Электромагнитная индукция

Электромагни́тная инду́кция — физическое явление, заключающееся в возникновении электрического поля при изменении магнитного во времени или движении материального тела относительно воздействующего на него магнитного поля. Эффект открыт Майклом Фарадеем в 1831 году и на сегодняшний день является одним из основных принципов построения электротехники.

Описание

Электромагнитной индукцей называют возникновение электрического поля, электрического тока или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальных сред в магнитном поле. При этом направление индукционного тока, если тот возникает, таково, что вызываемое этим током магнитное поле противодействует изменению того магнитного поля, которым этот ток был вызван. Это правило называется правилом Ленца, по имени своего первооткрывателя. Эффектов электромагнитной индукции различают два типа.

Первый эффект состоит в наведении вихревого электрического поля при воздействии на тело переменного магнитного поля. Второй связан с перемещением материальных тел в постоянном магнитном поле, которое приводит к появлению в этом теле электронно-движущих сил и, если тело является проводником — электрического тока. В обоих случаях явления индукции протекают в проводниках одинаково, различается только их физическая причина. Электронно-движущие силы (ЭДС), возникающие в результате воздействия электромагнитной индукции называют ЭДС индукции. Она равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную рассматриваемым электрическим контуром. Это соотношение называется, по имени своего первооткрывателя, законом Фарадея и выражается формулой ${\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{B}} \over dt},$, где ${\mathcal {E}}$ — ЭДС индукции, а ${d\Phi _{B}}$ — изменение магнитного потока.

Важным следствием электромагнитной индукции является так называемая самоиндукция — эффект, возникающий в электрической цепи при изменении силы тока. Выражается он в том, что изменение силы тока приводит к изменению магнитного поля, индуцируемого проводником, которое, как следствие вызывает в проводнике эффект электромагнитной индукции, противодействующий изменению силы тока.

История изучения

В 1820 году датский физик Ханс Эрстед провёл эксперимент, в ходе которого узнал, что электрический ток в цепи отклоняет близко расположенную магнитную стрелку компаса. Это показало, что электрический ток порождает магнитное поле, а, следовательно, возникновение электричества должно быть связано с магнетизмом.

Открытием Эрстеда заинтересовался Майкл Фарадей. Многие годы он проводил различные опыты с электричеством и магнетизмом, пытаясь понять связь между ними, пока августе 1831 года не открыл явление электромагнитной индукции. Для этого Фарадей провёл три опыта: в первом имелись две катушки проводника, намотанные на единый сердечник, не проводящий ток. К одной из катушек был подключён источник питания, ко второй — гальванометр. При включении тока на первой катушке гальванометр показывал импульс тока на второй, при отключении — ещё один импульс, но направленный в противоположную сторону. Во втором опыте катушка, подключённая к гальванометру, перемещалась относительно катушки, подключённой к источнику тока; гальванометр показывал электрический ток во второй катушке при её движении. В третьем опыте использовалась катушка, подключённая к гальванометру и постоянный магнит. При движении магнита относительно катушки гальванометр показывал электрический ток в катушке.

• 

  Первый опыт Фарадея

• 

  Второй опыт Фарадея, рисунок 1891 года

В 1832 году, независимо от Фарадея, Джозеф Генри повторил открытие явления. В 1833 году Эмилий Ленц сформулировал универсальное правило для установления знака электронно-движущей силы при электромагнитной индукции. В 1845 году закон Фарадея получил математическую формулировку в трудах немецкого физика Франца Неймана. В 1864 году Джеймсом Максвеллом была доказана универсальность закона Фарадея, а также предсказан дополнительный эффект, заключающийся в наведении переменным электрическим полем магнитного. Это в конечном счёте привело к формированию представления о едином электромагнитном поле, состоящем и из магнитного и из электрического полей.

Применение

Поезд на электромагнитной подвеске

Электромагнитная индукция широко реализуется в природе и нашла множество применений в технике. На её эффекте основано устройство электрических генераторов, преобразующих энергию из механической в электрическую, что применяется на большей части электростанций различных типов и генерирует практически всю электроэнергию, производимую человечеством. По тому же принципу работают электрические трансформаторы, преобразующие переменный ток одного напряжения в ток другого. Также действие электромагнитной индукции лежит в основе электродвигателей, которые широко используются в различных областях техники, производства и быта от холодильников, до электрического транспорта. Ещё один тип транспорта на эффекте индукции — транспорт на электромагнитной подвеске. Вдобавок, на электромагнитной индукции основано действие индукционных нагревателей, используемых как в быту, так и в промышленности.

Нашёл этот эффект применение и в науке: он используется в ускорителях частиц, а также как источник и способ удержания плазмы в термоядерных реакторах. Вдобавок на электромагнитной индукции действуют некоторые измерительные приборы.

Открытие электромагнитной индукции, а точнее последовавшее за ним формулирование теории электромагнитного поля привело в конечном счёте к созданию радио, лежащего в основе большинства систем беспроводной связи в мире.

Литература

• Миллер М. А., Пермитин Г. В. Электромагнитная индукция. Физическая энциклопедия.
• Электромагнитная индукция / В. С. Булыгин // Шервуд — Яя. — М. : Большая российская энциклопедия, 2017. — С. 314. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 35). — ISBN 978-5-85270-373-6.