Индукционный ток

Индукционный токЭлектрическое и магнитное вза­имодействие электрических зарядов.

При изучении электрических явлений вы узнали, что взаимодействие не­подвижных зарядов определяется за­коном Кулона. Кулоновское взаимо­действие описывается на основе представлений о существовании во­круг каждого заряда электростати­ческого поля, действующего на другие электрические заряды.

Между движущимися электри­ческими зарядами — электрически­ми токами, кроме кулоновских сил, действуют еще и магнитные силы. Магнитное взаимодействие описывается на основе представления о магнитном поле, существующем вокруг движущихся электрических зарядов. В отличие от кулоновского поля, дей­ствующего как на движущиеся, так и на неподвижные электрические за­ряды, магнитное поле действует толь­ко на движущиеся заряды.

Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же ис­точниками — электрическими заря­дами. Поэтому можно было предпо­ложить, что между этими нолями су­ществует определенная связь. Это предположение нашло эксперимен­тальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М. Фарадея, в которых он открыл явление электромагнитной индукции.

Индукционный ток.

Проделаем опыты, подобные тем, которые выполнил Фарадей. Возьмем две катушки из медной проволоки и первую подключим к источнику постоянного тока, а вторую расположим над пер­вой таким образом, чтобы магнитный поток, создаваемый электричес­ким током в первой катушке, пронизывал витки второй катушки. Подключив выводы второй катушки к чувствительному гальванометру, убе­димся, что магнитный ноток, прони­зывающий вторую катушку, не созда­ет в ней электрического тока.

Отключим первую катушку от источника тока. Опыт показывает, что при этом через вторую катушку и гальванометр в течение короткого промежутка времени протекает электрический ток. При замыкании цепи первой катушки ключом мы уви­дим, что во второй катушке снова протекает кратковременный элект­рический ток, но его направление противоположно направлению тока в первом опыте.

Не отключая первой катушки от источника тока, изменим взаимное расположение катушек. Гальвано­метр обнаруживает возникновение электрического тока во второй катушке при всяком ее перемещении, сопровождающемся изменением магнитного потока через нее. Ток во второй катушке возникает и при перемещении относительно нее постоянного магнита.

При включении или выключении тока в первой катушке электрический ток во второй катушке возникaeт не всегда. Например, если плоскость, в которой лежат витки второй катушки, расположена параллельно вектору индукции магнитного, поля, создаваемого первой катушкой, то электрический ток во второй катушке не возникает. В этом случае, Хотя и происходит изменение магнитного потока в первой катушке, магнитный поток через вторую катушку все время равен нулю.

Электрический ток, возникающий в замкнутом контуре при изменениях магнитного потока, пронизывающего этот контур, называется индукционным током.

Возникновение индукционного тока показывает, что на свободные электрические заряды в проводнике, по-видимому, действует электричес­кое поле (его называют индукционным или индуцированным). Для вывода количественных соотношений описывающих явления, связанные с этим полем, рассмотрим сначала явления, наблюдающиеся при движе­нии проводника в магнитном поле. Пусть в однородном магнитном ноле движется проводник так, что вектор скорости его движения v перпендикулярен вектору магнитной индукции В. На свободные электроны и положительные ионы, из которых сос­тоит металлический проводник, действуют со стороны магнитного поля силы, направленные в противоположные стороны. Свободные электроны приходят в движение. Это приводит к разделению электричес­ких зарядов в проводнике и возникновению внутри проводника электри­ческого поля, создаваемого зарядами, накапливающимися на торцах проводника.

Движение электронов в провод­нике прекращается тогда, когда сила FЭ, действующая на электрон со стороны этого электрического поля, становится равной но модулю силе Fм, действующей на него со стороны магнитного поля.

Так как FЭ=eEкул, где модуль напряженности кулоновского электрического поля, возникшего в проводнике в результате разделения зарядов, a FМ=evB, то условие равенства сил, действующих на электрон со стороны электрического и маг­нитного полей, запишется так: eEкул=evB. Откуда Eкул=vB.

Если проводник прямолинейный и его длина равна l, то напряженности Екул электрического поля внутри него можно определить напряже­ние U на концах проводника:

U=Eкулl=vBl

Индукционное электрическое поле.

Возникновение электрического тока в проводнике, движущемся относи­тельно источников магнитного поля, объясняется уже известными вам фи­зическими законами. Но достаточно мысленно перейти при наблюдении того же самого физического явле­ния в инерциальную систему отсче­та, связанную с проводником, чтобы убедиться в том, что это явление — принципиально новое. В системе от­счета, связанной с равномерно дви­жущимся проводником, наблюдаемое возникновение электрического тока и разделение зарядов нельзя объяс­нить действием магнитных сил – ведь они на неподвижные заряды не действуют! Конечно, физический факт разделения электрических за­рядов в проводнике и возникнове­ния напряжения на его концах не зависит от выбора системы отсчета.

В системе отсчета, связанной с проводником, электрические заряды неподвижны и магнитные силы на них не действуют. Факт разделения заря­дов в этом случае можно объяснить, если допустить, что в этой системе отсчета возникает индукционное электрическое поле напряженнос­тью Еинд, равной по модулю Екул, но направленной в противоположную сторону:

Еинд=Екул

Электромагнитное поле.

Рас­смотрев движение проводника в магнитном поле, мы пришли к следую­щему выводу: в системе отсчета, свя­занной с постоянным магнитным по­лем, нет индукционного электрического поля; в системе же отсчета, связанной с движущимся провод­ником, существует индукционное электрическое поле. Следовательно, величины, описывающие электри­ческие и магнитные поля, зависят от выбора системы отсчета.

Эта особенность электрического и магнитного полей объясняется сле­дующим образом. Как показал Дж. Максвелл, а затем А.Эйнштейн, исторически сложившиеся в физике представления об электрических и магнитных полях как самостоятель­ных сущностях не соответствуют ис­тине. В действительности существу­ет только одно поле — электромагнитное поле как особая форма ма­терии. Это единое электромагнит­ное поле мы описываем в различных системах отсчета no-разному. В част­ности, возникновение индукционного тока мы описываем в системе от­счета, связанной с движущимся в магнитном поле проводником, как действие индукционного электриче­ского поля, а в системе отсчета, свя­занной с неподвижными источника­ми постоянного магнитного поля (ка­тушками, постоянными магнита­ми),— как действие этого магнитно­го поля на движущиеся заряды, т. е. магнитных сил.

Электромагнитное поле никогда не исчезает при переходе из одной инерциальной системы в другую, но его характеристики меняются. В со­ответствии с исторически сложив­шейся традицией действие электро­магнитного поля на электрический заряд представляют как результат действия двух полей (электрическо­го и магнитного):

Fл=FЭ+FM

Сила FЛ с которой электромаг­нитное поле действует на электрический заряд, называется силой Ло­ренца. При переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую могут изменяться обе сос­тавляющие силы Лоренца — элект­рическая FЭ и магнитная FМ иногда одна из них может обратиться в нуль, однако физические явления будут протекать одинаково при одних и тех же начальных условиях (принцип от­носительности).