Явление электромагнитной индукции

      В первой трети XIX века было установлено, что взаимодействие неподвижных электрических зарядов можно описать с помощью понятия "электрическое поле", а взаимодействие движущихся электрических зарядов, т.е. токов, можно описать с помощью понятия "магнитное поле". Было известно, что электрический ток действует на магнит, что магнитное поле действует на проводник с током. В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей сделал эпохальное открытие - он открыл явление электромагнитной индукции. Это явление состоит в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего поверхность, опирающуюся на этот контур, возникает электрический ток (индукционный ток).
     Сам по себе электрический ток возникнуть не может, следовательно, в описанной ситуации в контуре возникает электродвижущая сила (Э.Д.С.) индукции. В результате многочисленных опытов М.Фарадей установил, что Э.Д.С. индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего поверхность, натянутую на контур. Выбором подходящей системы единиц можно обеспечить не только пропорциональность, но и строгое равенство упомянутых величин:
     
Формула 5.22 (5.22)
     где S - поверхность, натянутая на контур. Примечательно, что изменение величины Ф за счет изменения во времени индукции магнитного поля , или за счет изменения взаимной ориентации векторов и нормали или за счет изменения площади поверхности S приводит к одинаковым результатам.
      Смысл закона электромагнитной индукции Фарадея (5.22) состоит в том, что переменное во времени магнитное поле порождает электрическое поле , но это означает, что они связаны друг с другом внутренним образом, а не только посредством внешних проявлений. До открытия Дж.К.Максвелла, согласно которому (в отсутствие электрического тока!) переменное электрическое поле порождает магнитное поле, было еще около 30 лет, только после этого открытия основы теории электромагнитных явлений оказались прочно установленными. Но открытие М.Фарадея было высоко оценено современниками: известный немецкий философ Ф.В Шеллинг в публичном выступлении на заседании Берлинской академии наук 28 марта 1832 г. оценил опыты Фарадея как основу для научного объединения механических, электрических, электрохимических, магнитных и гальванических явлений. Нечего говорить, какое значение имело открытие М.Фарадея для современного ему, да для современного для нас состояния науки.
      В 1833 г. Э.Х.Ленц сформулировал "правило Ленца", согласно которому Э.Д.С. индукции вызывает ток такого направления, чтобы препятствовать причине его возникновения. Сегодня это правило обосновывают несколькими путями, и с помощью понятия "устойчивая термодинамическая система" (принцип Ле-Шателье-Брауна), и с помощью электромеханических методов (сила Ампера, работа по перемещению проводника с током в пространстве).
      Если Э.Д.С. индукции представить в форме интеграла по замкнутому контуру от индуцированной напряженности электрического поля , то "правильное" соотношение для закона Фарадея приобретет форму
     
Формула 5.23 (5.23)
     Здесь положительное направление обхода контура (ориентация элемента длины контура) и направление нормали к элементу площади поверхности dS (и для совокупности элементов dS) связаны между собой правилом правого винта (иначе, с конца вектора положительное направление обхода контура - против часовой стрелки; еще иначе, если голова человека ориентирована в пространстве по направлению , то положительным считается такое направление движения, при котором область, ограниченная контуром, остается слева).
      В некоторых случаях закон электромагнитной индукции можно использовать в форме
     
Формула 5.24 (5.24)
     где вектор - скорость смещения во времени элемента контура . Форма (5.24) в явном виде учитывает возможность изменения геометрии или местоположения контура l,при этом частная производная от магнитного потока Ф вычисляется при "замороженном" состоянии контура. Можно говорить, что первый член правой части закона (5.24) обусловлен скоростью изменения магнитного потока во времени, а второй - деформацией и смещением контура в "замороженном" магнитном поле.
      Интересно, что соотношение (5.24) можно записать в дифференциальной (локальной) форме, если предположить, что - скорость частичек среды, в которую "вморожен" контур: если в (5.24) - определена только для точек контура, то теперь мы предполагаем, что определена и для точек поверхности S. В этих условиях
     
Формула 5.25 (5.25)
     При записи соотношения (5.25) использована математическая теорема Стокса. Из соотношения (5.25) в силу произвольности выбора поверхности S получаем:
     
Формула 5.26 (5.26)
     где - вектор скорости среды. Для неподвижной среды имеем:
     
Формула 5.27 (5.27)
      - уравнение электромагнитной индукции в дифференциальной форме. Из уравнения (5.27) следует, что в переменном магнитном поле электрическое поле перестает быть потенциальным, как это понималось в электростатике.
      Заметим, что выражение (5.26) может дать повод говорить о возможности введения величины , которую можно было интерпретировать как напряженность электрического поля в движущейся системе координат. Строго говоря, это не так. В заключительной части курса будет показана степень приближенности уравнения электромагнитной индукции при переходе в другую инерциальную систему отсчета.
      Вернемся к рассмотрению закона электромагнитной индукции Фарадея с учетом правила Ленца:
     
Формула 5.28 (5.28)
     Вспомним, что для относительно медленных переменных процессов можно воспользоваться определением индуктивности:
     
Формула 5.29 (5.29)
     Соотношение (5.28) с учетом определения (5.29) принимает вид:
     
Формула 5.30 (5.30)
     Формула (5.30) записана с учетом возможного изменения величины индуктивности L в переменном процессе. Это может происходить при изменении размеров контура или его ориентации, или при изменении магнитных свойств среды. В последнем случае справедлива цепочка соотношений:
     
Формула 5.31 (5.31)
     где - магнитная проницаемость среды, Н - напряженность магнитного поля.
      В более простом и чаще встречающемся случае (соленоид без ферромагнитного сердечника) величина L является постоянной величиной. Соотношение (5.30) при этом принимает форму, известную из элементарного курса
     
Формула 5.32 (5.32)
     Э.Д.С. индукции (5.32) можно использовать при расчете переменных процессов в сложных цепях электрического тока. Предполагается, что правила Кирхгофа остаются в силе и в условиях применимости соотношения (5.32). Правило использования соотношения (5.32) состоит в следующем: Э.Д.С. индукции на участке цепи с индуктивностью L направляют по току J, направление которого предварительно задано произвольно. Сумма Э.Д.С. по замкнутому контуру включает в себя и Э.Д.С. индукции, определенную соотношением (5.32). После решения задачи выясняется истинное направление тока на рассматриваемом участке и истинное направление Э.Д.С. индукции.
Рис.5.2
Рис. 5.2.
     
      Рассмотрим простую электрическую схему, включающую в себя источник питания , сопротивление R, индуктивность L и ключ управления. Начальное состояние схемы - ток в цепи равен нулю. В этот момент замыкают ключ. Предполагаем, что положительное направление обхода выбрано против часовой стрелки, направление Э.Д.С. совпадает с направлением обхода, направление тока J совпадает с направлением обхода. Э.Д.С. индукции направляем "по току". Второе правило Кирхгофа записываем в форме:
     
Формула 5.33 (5.33)
     Используя соотношение (5.32)
     
Формула 5.34 (5.34)
     перепишем уравнение (5.34) и явно запишем начальное условие:
     
Формула 5.35 (5.35)
     Решение задачи (5.35) имеет вид:
     
Формула 5.36 (5.36)
     Если ввести и характерное время , то решение (5.36) принимает вид:
     
Формула 5.37 (5.37)
Рис.5.3
Рис. 5.3.
Рис.5.4
Рис. 5.4.
     На рис. приведены графики зависимости (5.37) для отношения как функции времени t. Легко видеть, что с уменьшением параметра (т.е. малое L или большое R) время установления стационарного состояния уменьшается. На рис. показана также зависимость для как функция "безразмерного" времени . Представление результатов расчета и их анализ в безразмерной форме является общепринятым приемом в современной науке.
     Основной вывод из анализа соотношения (5.37): при наличии индуктивности в цепи мгновенное установление стационарного режима невозможно, время выхода на "режим" определяется параметром .
     В заключение рассмотрим уравнение (5.34). Умножим обе части этого уравнения на величину J:
     
Формула 5.38 (5.38)
     Второй член правой части уравнения (5.38) представляет собой количество тепла, выделившегося в цепи по закону Джоуля-Ленца за время dt, левая часть уравнения (5.38) представляет собой работу источника тока за то же время.
     Член LJdJ представляет собой приращение "магнитной" энергии в системе:
     
Формула 5.39 (5.39)
     что приводит к соотношению:
     
Формула 5.40 (5.40)
     которое было использовано в предыдущем разделе.
      Если рассматриваемая электрическая схема содержит соленоид с ферромагнетиком, то в переменном процессе необходимо учесть изменение индуктивности элемента цепи:
     
Формула 5.41 (5.41)
     В этом случае уравнение второго правила Кирхгофа имеет вид:
     
Формула 5.42 (5.42)
     Поскольку величина dФ/dt в конечном итоге определяется величиной силы тока J, то решение уравнения (5.42) с однородным начальным условием для силы тока может быть сведено к квадратуре:
     
Формула 5.43 (5.43)
     По соотношению (5.43) можно рассчитать время t, необходимое для достижения величины силы тока J. Дифференциал dФ(J) в выражении (5.43) зависит параметрически от геометрии ферромагнитного сердечника и кривой намагничения
     
Формула 5.44 (5.44)
     Если уравнение (5.42) умножить почленно на силу тока J, то можно заключить по аналогии с анализом уравнения (5.38), что дифференциал магнитной энергии системы имеет вид:
     
Формула 5.45 (5.45)
     а выражение для магнитной энергии определено зависимостью:
     
Формула 5.46 (5.46)
     В заключение отметим, что для достаточно быстропеременных процессов необходимо учитывать зависимость кривой намагничения от частоты.