Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея. Правило Ленца

Як показав Ерстед (див. §4.1.), магнітне поле породжується провідниками зі струмом. Виникає питання: чи не можна створити електричний струм за допомогою магнітного поля? Це питання експериментальним шляхом розв’язав М.Фарадей в 1837 році. Він встановив, що в замкненому контурі виникає електричний струм, якщо площину охоплену контуром, перетинає змінний магнітний потік, тобто, якщо Цей струм Фарадей назвав індукційним (наведеним), а саме явище – явищем електромагнітної індукції. Зрозуміло, що в цій ситуації виникнення струму є вторинним ефектом; первинним є виникнення електрорушійної сили індукції.

Отже, явищем електромагнітної індукції називається виникнення електрорушійної сили в контурі при зміні магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром. Величина е.р.с. індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку (закон Фарадея):

. (4.40)

Знак “–” в законі Фарадея відповідає правилу Ленца: індукційний струм завжди має такий напрямок, щоб своїм магнітним полем протидіяти зміні магнітного потоку, який викликає появу цього струму. Правило Ленца відображає закон збереження енергії стосовно явища електромагнітної індукції: якби індукований магнітний потік, всупереч правилу Ленца , сприяв зростанню швидкості зміни індукуючого потоку, то це призвело б до збільшення струму, в результаті чого збільшився б магнітний потік, знову збільшився б індукційний струм, і так – до нескінченості. Зрозуміло, що такий «саморозгін» суперечить закону збереження енергії.

Розглянемо тепер електронний механізм виникнення е.р.с. індукції. Із закону Фарадея випливає, що будь-яка зміна магнітного потоку через площину контура викликає появу е.р.с. індукції і, якщо контур замкнений, індукційного струму. Можливі два випадки:

а) провідний контур, одна з сторін якого переміщується, міститься в постійному магнітному полі (рис. 4.20). Нехай одна з сторін контура рухається зі швидкістю . З такою ж швидкістю рухаються вільні заряди, що входять до складу провідника. На рухомі заряди магнітне поле діє з силою Лоренца Напруженість поля цієї сторонньої сили . Е.р.с. індукції, за означенням

,

що з точністю до знаку співпадає із законом Фарадея (4.40). Тобто в цьому випадку (рухомий контур в постійному магнітному полі) причиною виникнення індукційного струму є дія сили Лоренца на рухомі вільні заряди контура.

б) : нерухомий контур знаходиться в змінному магнітному полі. Виникнення е.р.с. індукції в цьому випадку неможливо пояснити дією сили Лоренца – адже на нерухомі (в середньому) заряди магнітне поле не діє. Наприкінці XIX ст. Максвелл висунув гіпотезу про те, що змінне магнітне поле породжує навколо себе вихрове електричне поле, яке і діє на нерухомі електричні заряди контура, викликаючи появу індукційного струму. Докладніше це питання обговорюватиметься в §4.11.