Наука, що вивчає поле, яке взаємодіє з електрично зарядженими тілами називається електродинамікою. Основним її твердженням є закон електромагнітної індукції Фарадея. Формула, що описує його, була отримана експериментальним шляхом, а після вже доведена теоретично. При цьому деякі вчені вважають, що правило в одному рівнянні зачіпає відразу два природних явища.
Загальні відомості
Упорядкований рух елементарних частинок, що володіють зарядом, призводить до появи електричного струму. Його існування призводить до виникнення електромагнітного поля. Майкл Фарадей, знаючи про цей ефект, припустив, що можлива і зворотна залежність. А наштовхнув його на ці думки експеримент данського вченого Ерстеда.
У 1820 році фізик з Данії провів цікавий дослід. Він взяв магнітну стрілку і помістив над нею вузький провідник. Як тільки був поданий струм, стрілка розгорнулася майже перпендикулярно до провідного матеріалу. Якщо ж він змінював напрямок протікання електроструму, то покажчик розвертався на 180 градусів. Аналогічно себе вела стрілка і при розміщенні її над провідником. Пояснити цей ефект можна було лише припущенням, що при протіканні струму виникає магнітне поле, лінії якого спрямовані радіально.
Вважається, що явище було відкрито випадково. Ерстед вів викладацьку діяльність. І ось на одному зі своїх уроків він демонстрував учням експеримент з теплового впливу електроструму. Під час досліду один зі студентів звернув увагу, що стрілка лежачого поруч компаса починає відхилятися. Ерстед після заперечував випадковість відкриття, заявляючи, що знав про нього заздалегідь. Цей дослід став першим емпіричним доказом взаємозв’язку електричних і магнітних полів.
Відкриття Ерстеда заманило Фарадея. Він загорівся бажанням навчитися перетворювати магнетизм в електрику. Майже десять років вчений ставив різні досліди, але тільки в 1831 році він зміг відкрити явище, пізніше назване електромагнітної індукцією. Завдяки їй вчений мріяв створити нового типу джерело струму.
Одночасно незалежно від Фарадея в Америці Генрі Джозеф, створюючи магніти, виявив явище, що приводить до створення в провіднику електрорушійної сили (ЕРС) при зміні струму. Названо воно було самоіндукцією. Разом з нею він спостерігав і взаємоіндукцію. Але вчений не встиг опублікувати свої результати, трохи раніше це зробив Фарадей. Генрі залишалося тільки підтвердити отримані результати.
Дослід Фарадея
Спочатку XIX століття припав бум на відкриття в області електрики і магнетизму. Встановлені в цей час закони служать базисами і в сучасних дослідженнях. Так, одним з важливих відкриттів став взаємозв’язок між магнітними і електричними полями. Фарадею вдалося зробити те, що не вийшло у Ерстеда і Ампера. Він зміг перетворити магнетизм на електрику.
Для відкриття свого закону вченому знадобилося підготувати:
- магніт;
- дві дротяні котушки;
- гальванометр;
- джерело струму.
Фарадей провів два різних досліду. Для першого він зібрав ланцюг, що містить одну котушку. Навколо неї він пересував магніт і дивився за поведінкою гальванометра. Фізик спостерігав як при внесенні намагніченого тіла в котушку, стрілка в вимірювальному пристрої відкланялась. При виведенні ж з Провідника Покажчик змінював напрямок. Якщо ж магніт залишався нерухомим, то гальванометр струм не виявляв.
У другому експерименті Фарадей використовував дві котушки. До однієї він під’єднав джерело змінного струму, А до другої вимірювальний прилад. При цьому він знову ж спостерігав струм, що виникає у вторинному провіднику. Фактично Фарадей сам того не знаючи винайшов трансформатор.
Відкриття дозволили сформулювати визначення, після назване ім’ям вченого. Звучить закон Фарадея в сучасному трактуванні так: коли потік вектора індукції, що пронизує замкнутий, контур провідника, змінюється, то в замкнутому ланцюзі виникає впорядкований рух електричних зарядів. Іншими словами, виникає струм. Природне ж явище називають електромагнітної індукцією, а виник струм — індукційним.
Описується закон Фарадея формулою:
E = -ДФ/Δt
Як видно з виразу електрорушійна сила залежить від швидкості, з якою змінюється магнітний потік. При цьому знак мінус показує напрямок індукційного струму. Визначається він за правилом Лоренца. Таким чином, ідея Фарадея описує як рухову ЕРС, так і трансформаторну, тобто генерується магнітної та електричної силами. Вперше на це звернув увагу Максвелл, який у своїх працях дав докладне фізичне пояснення для кожного з цих двох явищ.
Закон Максвелла
У 1873 році Джон Максвелл теоретично виклав дію електромагнітного поля. Його рівняння склали основу для створення електротехніки. Рівняння, отримані ним встановлюють взаємозв’язок магнітних явищ з електричними і навпаки. Разом з тим фізик виявив, що значення поширення електромагнітної хвилі збігається зі швидкістю світла.
Фізичний сенс рівнянь полягає в наступному:
- зміна електричного поля призводить до виникнення магнітного: Edl = – dФ/dt;
- якщо існує магнітне поле, то воно викликає появу електричного: Hdl = – dN / dt.
У формулах:
- E – це напруга електрополя на ділянці ланцюга;
- H — напруженість;
- N — потік індукції;
- t — час.
У тому випадку, коли контур замкнутий при зміні магнітного потоку виникає електрорушійна сила (ЕРС). Виявляється вона у вигляді індукційного струму:
I = e * i/R
де
- R – опір ланцюга.
Якщо контур буде незамкненим, то в місці обриву виникне різниця потенціалів.
Напрямок руху індукційного струму визначається за правилом Ленца. Формулюватися воно буде так: виникає рух носіїв зарядів направлено таким чином, щоб магнітне поле протидіяло потоку їм викликається. На практиці ж сторону руху індукційного струму можна визначити наступним чином:
- з’ясувати напрямок зовнішнього магнітного поля;
- дізнатися зростає або спадає потік вектора магнітної індукції;
- використовуючи правило Ленца, визначити напрямок вектора;
- скориставшись методом правого гвинта знайти напрямок індукційного струму в контурі.
Таким чином, якщо є N витків в контурі, то сила індукції дорівнює:
E = — N * (dФ/dt)
Звідси сила струму в ланцюзі буде наступною:
I = E/R
Якщо ж довжина провідника дорівнює L, а швидкість V, то в однорідному постійному полі електромагнітну індукцію (Емі) можна знайти як
E = B * V * L * sin (a)
де
- альфа – кут між векторами.
Коротко пояснити природу ЕРС самоіндукції можна так. Нехай є провідник довжиною L навколо якого змінюється магнітне поле зі швидкістю V. на заряд рухається під дією намагніченості впливає сила Лоренца:
F = q * (E + v * B)
Негативні заряди збираються біля одного краю провідника, а некомпенсовані позитивні в іншого. В результаті виникає напруга. Являє воно собою ЕРС індукції (e * i). Знайти її значення можна, визначивши роботу, яка відбувається силою Лоренца при русі заряду по провіднику:
ei = A / q = F * L / q = B·V·L·sin (a)
Застосування явища
Значення закону Фарадея важко недооцінити, розуміючи, в яких цілях він використовується на практиці. Вся електрична промисловість побудована на реалізації відкриття вченого. Одним з пристроїв використовує принцип виникнення ЕРС за рахунок руху замкнутого провідника в магнітному полі є електричний генератор.
Його робота полягає в тому, що якщо постійний магніт переміщати щодо контуру, то виникне електрорушійна сила. Відповідно підключивши Провідник до навантаження, можна отримати струм. А це означає, що механічна енергія перетвориться в електричну. При цьому розрізняють два принципово різних механізму роботи:
- Індукований – обертання магніту, навколо не змінює своє положення провідника. В цьому випадку електричне поле рухає заряди через провідник.
- Руховий – магніт нерухомий, а провідник обертається. З’являється сила Лоренца, і магнітне поле штовхає заряди.
Друге, але не менш важливе пристрій, електродвигун. По суті, це генератор працює “задом наперед”. На заряд діє магнітна сила, що обертає диск в зворотному напрямку, визначити яке можна за правилом лівої руки. Якщо будуть втрати невеликі, наприклад, пов’язані з тертям або виділенням тепла, то підключений диск буде обертатися з такою швидкістю, щоб відношення dF/dt зрівнялося з різницею потенціалів викликає струм.
На використанні ЕРС побудована робота і трансформатора. Проходить по первинних витках змінний електричний струм призводить до виникнення магнітного поля. Останнє і наводить у вторинній обмотці електрорушійну силу. Якщо тільки кінці котушки підключити до навантаження, то через неї відразу ж потече струм.
У СІ індуктивність вимірюється в Генрі [Гн]. Величина магнітного потоку пропорційна току:
Ф = L * I
звідси випливає, що один Генрі дорівнює відношенню вебер на секунду [Вб/С], а він, своєю чергою, дорівнює вольту [в]. Напруженість електричного поля прийнято виражати в амперах, поділених на метр [A/m].
