Електромагнітна індукція
Електромагнітна індукція виникає, коли змінюється магнітний потік через контур. Закон Фарадея ε=−dΦ_B/dt описує індуковану ЕРС, а знак мінус — закон Ленца: індукований струм протидіє саме зміні потоку, що його породила.
Що має змінюватися
Потік Φ_B залежить від B, площі контуру та його орієнтації. Тому ЕРС можна створити, змінюючи силу поля, рухаючи контур у неоднорідному полі, обертаючи його або змінюючи площу. Саме поле може бути ненульовим і сталим — тоді нерухомий контур не обов’язково має індуковану ЕРС.
Закон Ленца
Якщо магнітний потік у певному напрямі зростає, індукований струм створює власне поле, яке намагається цьому зростанню протидіяти. Якщо потік зменшується, індукований струм намагається його підтримати. Це не “опір магнітному полю”, а опір зміні потоку.
Енергетичний зміст
Закон Ленца потрібен для збереження енергії. Якщо наближати магніт до провідного кільця, індукований струм створює силу, яка чинить опір руху. Щоб продовжувати рух, зовнішній агент виконує роботу; ця енергія може перейти в електричну та теплову.
Рухома ЕРС
Провідник, що рухається в магнітному полі, може мати розділення зарядів через qv×B. Для простого стрижня довжини ℓ, який рухається перпендикулярно B зі швидкістю v, модуль ЕРС може бути Bℓv. Це узгоджується зі зміною потоку контуру.
Генератор
У генераторі котушка обертається в магнітному полі, тому потік через неї періодично змінюється. Механічна робота перетворюється на електричну енергію. Частота та амплітуда напруги залежать від швидкості обертання, поля, площі та числа витків.
Трансформатор
Змінний струм у первинній обмотці створює змінний магнітний потік у сердечнику, який індукує ЕРС у вторинній обмотці. В ідеальному трансформаторі відношення напруг дорівнює відношенню числа витків, а потужність приблизно зберігається.
Вихрові струми
Змінний потік у суцільному провіднику створює замкнені вихрові струми. Вони можуть нагрівати матеріал і створювати гальмування. У трансформаторах сердечники ламінують, щоб зменшити небажані струми, а в індукційних нагрівачах цей ефект, навпаки, використовують навмисно.
Самоіндукція
Струм у котушці створює власний магнітний потік. Коли струм змінюється, зміна цього потоку індукує ЕРС у тій самій котушці: ε=−L dI/dt. Індуктивність L тому чинить опір швидкій зміні струму і накопичує енергію в магнітному полі. Саме це пояснює затримку струму в RL-колі та великі напруги під час різкого розмикання індуктивного навантаження.
Вправа
Магніт наближають північним полюсом до замкненого кільця. Яким буде загальний характер індукованого поля кільця?
Розв’язання
Потік від магніту через кільце зростає, тому за законом Ленца індукований струм створює поле, яке протидіє цьому зростанню. Ближній бік кільця поводиться так, щоб відштовхувати наближення магніту.