10.1: Вступ до електромагнітної індукції
- Page ID
- 78517
У 1820 році Ерстед показав, що електричний струм генерує магнітне поле. Але чи може магнітне поле генерувати електричний струм? На це відповіли майже одночасно і самостійно в 1831 році Джозеф Генрі в США і Майкл Фарадей у Великобританії. Фарадей сконструював залізне кільце, діаметром близько шести дюймів. Він намотав дві котушки дроту щільно навколо кільця; одна котушка навколо однієї половини (півкола) кільця, а друга котушка навколо другої половини кільця. Дві котушки не були з'єднані одна з одною, ніж шляхом спільного використання одного і того ж залізного сердечника. Одна котушка (яку я буду називати «первинною» котушкою) була підключена до акумулятора; інша котушка (яку я буду називати «вторинною» котушкою) була підключена до гальванометра. При підключенні акумулятора до первинної котушці струм, природно, протікав через первинну котушку. Цей струм генерував магнітне поле по всьому залізному сердечнику, так що всередині кожної з двох котушок було магнітне поле. Поки струм в первинній котушці залишався постійним, струму у вторинній котушці не було. Те, що спостерігав Фарадей, полягав у тому, що в той момент, коли акумулятор був підключений до первинної, і в той короткий момент, коли струм у первинному піднімався з нуля, струм мить протікав у вторинній - але лише тоді, коли струм у первинному змінювався. При відключенні АКБ, і в той нетривалий момент, коли первинний струм падав до нуля, знову протікав струм у вторинному (але в зворотному напрямку до попереднього). Звичайно, поки змінювався первинний струм, магнітне поле в залізному сердечнику змінювалося, і Фарадей визнав, що струм генерується у вторинному, поки магнітний потік через нього змінюється. Сила струму залежала від опору вторинного, тому, мабуть, більш принципово відзначити, що при зміні магнітного потоку через ланцюг в ланцюзі генерується електрорушійна сила (ЕРС), і чим швидше змінюється потік, тим більше індукована ЕРС. Кількісні вимірювання давно встановили, що:
У той час як магнітний потік через ланцюг змінюється, ЕРС генерується в ланцюзі, яка дорівнює швидкості зміни магнітного потоку\(\dot \Phi_B\) через ланцюг.
Це взагалі називається "Закон Фарадея електромагнітної індукції». Повне твердження законів електромагнітної індукції також повинно повідомити нам напрямок індукованої ЕРС, і це, як правило, дається у другому твердженні, зазвичай відомому як «Закон Ленца електромагнітної індукції», який ми опишемо в розділі 10.2. Тому на питання про закони електромагнітної індукції повинні бути наведені обидва закони: Фарадея, який стосується величини ЕРС, і Ленца, який займається її напрямком.
Відзначимо, що твердження Закону Фарадея, наведене вище, говорить про те, що індукована ЕРС не просто «пропорційна» швидкості зміни магнітного В-потоку, а дорівнює їй. Тому ви хочете звернутися до розмірів електрорушійної сили (одиниця СІ: вольт) та\(B\) -flux (одиниця СІ: Вебер) і перевірити,\(\dot \Phi_B\) що насправді розмірно схожа на ЕРС. Це само по собі не говорить вам про постійну пропорційність між індукованою ЕРС і\(\dot \Phi_B\), хоча константа насправді є єдністю, як зазначено в законі Фарадея. Потім ви можете запитати: Чи є це значення 1 для константи пропорційності між ЕРС та\(\dot \Phi_B\) експериментальним значенням (і, якщо так, то наскільки воно близьке до 1, і яке його в даний час визначено найкраще значення), або теоретично очікується рівно 1? Ну, я вважаю, що слід визнати, що фізика є експериментальною наукою, так що з цієї точки зору константу потрібно визначати експериментально. Але незабаром я висуну аргумент, щоб показати не тільки, що ви очікуєте, що це буде рівно 1, але й те, що саме явище електромагнітної індукції слід очікувати лише від того, що ми вже знали (перш ніж приступити до цієї глави) про електрику та магнетизм.
До речі, нагадаємо, що одиницею СІ для\(\Phi_B\) є weber (\(\text{Wb}\)). Для деяких це не дуже звична одиниця, і тому деякі вважають за краще\(\Phi_B\) висловлюватися\(\text{T m}^2\). Знову ж таки, розгляд закону Фарадея говорить нам, що цілком законна одиниця СІ (яку багато хто віддає перевагу) для\(\Phi_B\) є\(\text{V s}\).