Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция возникает, когда меняется магнитный поток, связанный с контуром. Важен не сам факт наличия магнитного поля, а изменение Φ_B во времени. Закон Фарадея связывает скорость изменения потока с индуцированной ЭДС, а правило Ленца определяет её направление: магнитный эффект индуцированного тока противодействует изменению потока, вызвавшему индукцию.

Электромагнитная индукцияΦ = BA cos θ
Магнитный поток. Для плоского контура в однородном поле Φ_B=BA cosθ, где θ — угол между B и нормалью к поверхности. Поток можно изменить, меняя B, площадь, ориентацию или положение контура.

Магнитный поток

Для плоского контура в однородном поле Φ_B=BA cosθ, где θ — угол между B и нормалью к поверхности. Поток можно изменить, меняя B, площадь, ориентацию или положение контура.

Сильное, но постоянное поле не создаёт ЭДС в неподвижном контуре, если dΦ_B/dt=0.

Закон Фарадея

Для катушки из N витков ℰ=−N dΦ_B/dt. Для конечного интервала времени удобно использовать |ℰ_avg|=N|ΔΦ_B|/Δt.

Единица магнитного потока — вебер (Вб), ЭДС — вольт (В). Чем быстрее меняется поток и чем больше витков, тем больше ЭДС.

Результат

Результат: V

Правило Ленца

Минус в формуле несёт физический смысл: индуцированный ток создаёт поле, противодействующее изменению потока, а не обязательно исходному полю.

Если поток вверх увеличивается, индуцированное поле направлено вниз. Если тот же поток уменьшается, индуцированное поле направлено вверх, препятствуя уменьшению.

Электромагнитная индукцияℰ = −N dΦ/dt
Закон Фарадея. Для катушки из N витков ℰ=−N dΦ_B/dt. Для конечного интервала времени удобно использовать |ℰ_avg|=N|ΔΦ_B|/Δt.

Движущая ЭДС

Проводящий стержень длины L, движущийся со скоростью v перпендикулярно однородному B, в идеальном случае даёт ℰ=BLv. Заряды в стержне испытывают магнитную силу и разделяются.

Это не отдельный от Фарадея эффект, а другая геометрическая форма изменения связанного с цепью потока.

Энергия и генератор

Чтобы вдвигать магнит в проводящую катушку с индуцированным током, требуется механическая работа. Противодействующее направление по Ленцу согласуется с законом сохранения энергии.

Генераторы создают управляемое изменение потока, например вращая катушку или магнитное поле.

Надёжный алгоритм

Сначала задайте контур и нормаль к его поверхности. Определите направление внешнего потока и выясните, растёт он или уменьшается. Затем примените Ленца для направления индуцированного поля и правило правой руки для тока.

Частая ошибка — «противодействовать» самому B, а не изменению потока, или забывать множитель cosθ.

Вихревые токи и самоиндукция

Меняющийся поток может создавать замкнутые вихревые токи в массивном проводнике. Они вызывают джоулево нагревание и магнитное торможение; на этом основан индукционный нагрев.

Изменение тока в самой катушке меняет её собственный поток. Соотношение самоиндукции ℰ=−L di/dt объясняет, почему индуктивность препятствует быстрому изменению тока.

Разобранный пример

Поток

B=0,30 Тл, A=0,020 м², θ=0°

Решение

Φ=6,0×10⁻³ Вб

Средняя ЭДС

N=200, ΔΦ=3,0 мВб, Δt=0,050 с

Решение

|ℰ|=12 В