Електромагнітна індукція – дуже складна штука. Тому розбиратимемося в ній на обручах та бабулях.
Магнітний потік
Перш ніж розібратися з тим, що таке електромагнітна індукція , Треба визначити таку сутність, як магнітний потік.
Уявіть, що ви взяли обруч до рук і вийшли надвір у зливу. Чим сильніша злива, тим більше через цей обруч пройде води – потік води більший.
Якщо обруч розташований горизонтально, то через нього пройде багато води. А якщо почати його повертати — вже менше, тому що він розташований не під прямим кутом до вертикалі.
Тепер давайте поставимо обруч вертикально – жодної краплі не пройде крізь нього (якщо вітер не подує, звичайно).
Магнітний потік по суті своїй — це той самий потік води через обруч, тільки вважаємо ми величину магнітного поля, що пройшло через площу, а не дощу.
Магнітним потоком через площу S контуру називають скалярну фізичну величину, рівну добутку модуля вектора магнітної індукції B, площі поверхні S, що пронизується даним потоком, і косинуса кута між напрямком вектора магнітної індукції і вектора нормалі (перпендикуляра до площини даної поверхні):
Магнітний потік  Ф — магнітний потік [Вб] B — магнітна індукція [Тл] S — площа поверхні, що пронизується [м^2] n — вектор нормалі (перпендикуляр до поверхні) [-] |
Магнітний потік можна наочно представити як величину, пропорційну числу магнітних ліній, що проходять через дану площу.
Залежно від кута α магнітний потік може бути позитивним (α < 90°) або негативним (α > 90°). Якщо α = 90°, то магнітний потік дорівнює 0. Це залежить від величини косинуса кута.
Змінити магнітний потік можна змінюючи площу контуру, модуль індукції поля або розташування контуру в магнітному полі (повертаючи його).
У разі неоднорідного магнітного поля і неплоского контуру, магнітний потік знаходять як суму магнітних потоків, що пронизують площу кожної з ділянок, на які можна розбити дану поверхню.
Електромагнітна індукція
Електромагнітна індукція — явище виникнення струму в замкнутому провідному контурі при зміні магнітного потоку, пронизливого його.
Явище електромагнітної індукції було відкрито М. Фарадеєм.
Майкл Фарадей провів низку дослідів, які допомогли відкрити явище електромагнітної індукції.
Дослідження раз. На одну непровідну основу намотали дві котушки: витки першої котушки були розташовані між витками другої. Витки однієї котушки були замкнені на гальванометр, а другий – підключені до джерела струму.
При замиканні ключа та протіканні струму по другій котушці у першій виникав імпульс струму. При розмиканні ключа також спостерігався імпульс струму, але струм через гальванометр тек в протилежному напрямку.
Дослідження два. Першу котушку підключили до джерела струму, а другу – до гальванометра. У цьому друга котушка переміщалася щодо першої. При наближенні або видаленні котушки фіксувався струм.
Дослідження три. Котушка замкнена на гальванометр, а магніт рухається всувається (висувається) щодо котушки
Ось, що показали ці досліди:
- Індукційний струм виникає тільки при зміні ліній магнітної індукції.
- Напрямок струму буде різним при збільшенні числа ліній та при їх зменшенні.
- Сила індукційного струму залежить від швидкості зміни магнітного потоку. Може змінюватися саме поле, або контур може переміщатися в неоднорідному магнітному полі.Чому виникає індукційний струм?
Чому виникає індукційний струм?
Струм у ланцюгу може існувати, коли на вільні заряди діють сторонні сили. Робота цих сил по переміщенню одиничного позитивного заряду вздовж замкнутого контуру дорівнює ЕРС. Отже, при зміні числа магнітних ліній через поверхню, обмежену контуром, у ньому з’являється ЕРС, яку називають ЕРС індукції.
Закон електромагнітної індукції
Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея) звучить так:
ЕРС індукції в замкнутому контурі дорівнює і протилежна за знаком швидкості зміни магнітного потоку через поверхню, обмежену контуром.
Математично його можна описати формулою:
Закон Фарадея  Ɛi — ЕРС індукції [В] ΔФ/Δt — швидкість зміни магнітного потоку [Вб/с] |
Знак «–» у формулі дозволяє врахувати напрямок індукційного струму. Індукційний струм у замкненому контурі завжди спрямований так, щоб магнітний потік поля, створеного цим струмом крізь поверхню, обмежену контуром, зменшував би зміни поля, які викликали появу індукційного струму.
Якщо контур складається з N витків (тобто він — котушка), то ЕРС індукції буде обчислюватися наступним чином. контуру з N витків
Закон Фарадея для контуру з N витків  Ɛi — ЕРС індукції [В] ΔФ/Δt — швидкість зміни магнітного потоку [Вб/с] N — кількість витків [-] |
Сила індукційного струму в замкнутому провідному контурі з опором R:
Закон Ома для провідного контуру Ɛi — ЕРС індукції [В] I — сила індукційного струму [А] R — опір контуру [Ом] |
Якщо провідник довжиною l рухатиметься зі швидкістю v у постійному однорідному магнітному полі з індукцією B ЕРС електромагнітної індукції дорівнює:
ЕРС індукції для провідника, що рухається  Ɛi – ЕРС індукції [В] B – магнітна індукція [Тл] v — швидкість провідника [м/с] l — довжина провідника [м] |
Виникнення ЕРС індукції в провіднику, що рухається в магнітному полі, пояснюється дією сили Лоренца на вільні заряди в рухомих провідниках. Сила Лоренца відіграє в цьому випадку роль сторонньої сили.
Провідник, що рухається в магнітному полі, яким протікає індукційний струм, відчуває магнітне гальмування. Повна робота сили Лоренца дорівнює нулю.
Кількість теплоти в контурі виділяється за рахунок роботи зовнішньої сили, яка підтримує швидкість провідника незмінною, або за рахунок зменшення кінетичної енергії провідника.
Зміна магнітного потоку, що пронизує замкнутий контур, може відбуватися з двох причин:
- внаслідок переміщення контуру або його частин у постійному в часі магнітному полі. Це випадок, коли провідники, а разом з ними і вільні носії заряду рухаються в магнітному полі
- внаслідок зміни в часі магнітного поля при нерухомому контурі. І тут виникнення ЕРС індукції вже не можна пояснити дією сили Лоренца. Явище електромагнітної індукції в нерухомих провідниках, що виникає при зміні навколишнього магнітного поля, також описується формулою Фарадея.
Таким чином, явища індукції в рухомих і нерухомих провідниках протікають однаково, але фізична причина виникнення індукційного струму виявляється в цих двох випадках різною:
- у разі рухомих провідників ЕРС індукції обумовлена силою Лоренца
- у разі нерухомих провідників ЕРС індукції є наслідком дії на вільні заряди вихрового електричного поля, що виникає при зміні магнітного поля.
Правило Ленца
Щоб визначити напрямок індукційного струму, потрібно скористатися правилом Ленца.
Академічно це правило звучить наступним чином: індукційний струм, збуджуваний в замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, завжди спрямований так, що створюване їм магнітне поле перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає індукційний струм.
Давайте спробуємо трохи простіше: котушка в даному випадку це незадоволена бабуся. Забирають у неї магнітний потік — вона незадоволена і створює магнітне поле, яке цей магнітний потік хоче відібрати.
Дають їй магнітний потік, забирай, мовляв, користуйся, а вона така — «Навіщо здався мені ваш магнітний потік!» та створює магнітне поле, яке цей магнітний потік виганяє.
