Электромагнитная или магнитная индукция — это возникновение электродвижущей силы (ЭДС) на электрическом проводнике в изменяющемся магнитном поле .
Майклу Фарадею обычно приписывают открытие индукции в 1831 году, а Джеймс Клерк Максвелл математически описал это как закон индукции Фарадея . Закон Ленца описывает направление индуцированного поля. Закон Фарадея позже был обобщен и стал уравнением Максвелла-Фарадея, одним из четырех уравнений Максвелла в его теории электромагнетизма .
Электромагнитная индукция нашла множество применений, включая электрические компоненты, такие как индукторы и трансформаторы , а также устройства, такие как электродвигатели и генераторы .
Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем и опубликована в 1831 году. [3] [4] Она была открыта независимо Джозефом Генри в 1832 году. [5] [6]
В первой экспериментальной демонстрации Фарадея (29 августа 1831 г.) он обернул два провода вокруг противоположных сторон железного кольца или « тора » (устройство, похожее на современный тороидальный трансформатор ). [ нужна цитата ] Основываясь на своем понимании электромагнитов, он ожидал, что, когда ток начнет течь по одному проводу, своего рода волна пройдет через кольцо и вызовет некоторый электрический эффект на противоположной стороне. Он подключил один провод к гальванометру и наблюдал за ним, подсоединяя другой провод к батарее. Он видел переходный ток, который он назвал «волной электричества», когда подсоединял провод к батарее, и другой, когда отсоединял его. [7] Эта индукция возникла из-за изменения магнитного потока , которое происходило при подключении и отключении батареи. [2] В течение двух месяцев Фарадей обнаружил еще несколько проявлений электромагнитной индукции. Например, он видел переходные токи, когда быстро вставлял и вынимал стержневой магнит из катушки с проводами, и генерировал постоянный (постоянный ) ток, вращая медный диск рядом со стержневым магнитом с помощью скользящего электрического вывода (« Диск Фарадея»). "). [8]
Фарадей объяснил электромагнитную индукцию, используя концепцию, которую он назвал силовыми линиями . Однако ученые того времени широко отвергли его теоретические идеи, главным образом потому, что они не были сформулированы математически. [9] Исключением стал Джеймс Клерк Максвелл , который использовал идеи Фарадея в качестве основы своей количественной электромагнитной теории. [9] [10] [11] В модели Максвелла изменяющийся во времени аспект электромагнитной индукции выражается в виде дифференциального уравнения, которое Оливер Хевисайд назвал законом Фарадея, хотя оно немного отличается от исходной формулировки Фарадея и не описывает движение. ЭДС. Версия Хевисайда (см. уравнение Максвелла-Фарадея ниже) представляет собой форму, признанную сегодня в группе уравнений, известных как уравнения Максвелла .
В 1834 году Генрих Ленц сформулировал названный в его честь закон, описывающий «поток в цепи». Закон Ленца определяет направление индуцированной ЭДС и тока, возникающих в результате электромагнитной индукции.
Закон индукции Фарадея использует магнитный поток Φ B через область пространства, заключенную в проволочную петлю. Магнитный поток определяется поверхностным интегралом : [12]
Когда поток через поверхность изменяется, закон индукции Фарадея гласит, что проволочная петля приобретает электродвижущую силу (ЭДС). [примечание 1] Наиболее распространенная версия этого закона гласит, что наведенная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна скорости изменения магнитного потока , заключенного в цепи: [16] [17]
Генерации ЭДС за счет изменения магнитного потока через поверхность проволочной петли можно добиться несколькими способами:
В общем, связь между ЭДС в проволочной петле, окружающей поверхность Σ, и электрическим полем E в проводе определяется выражением
Это одно из четырех уравнений Максвелла , поэтому оно играет фундаментальную роль в теории классического электромагнетизма .
Закон Фарадея описывает два разных явления: ЭДС движения , создаваемую магнитной силой, действующей на движущийся провод (см. силу Лоренца ), и ЭДС трансформатора , которая создается электрической силой вследствие изменения магнитного поля (из-за дифференциальной формы уравнение Максвелла–Фарадея). Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на отдельные физические явления в 1861 году. [21] [22] Это считается уникальным примером в физике того, как такой фундаментальный закон используется для объяснения двух таких разных явлений. [23]
Альберт Эйнштейн заметил, что обе ситуации соответствуют относительному движению между проводником и магнитом, и на результат не влияет то, какой из них движется. Это был один из основных путей, которые привели его к разработке специальной теории относительности . [24]
Принципы электромагнитной индукции применяются во многих устройствах и системах, в том числе:
ЭДС, создаваемая законом индукции Фарадея из-за относительного движения цепи и магнитного поля, является явлением, лежащим в основе электрических генераторов . Когда постоянный магнит перемещается относительно проводника или наоборот, создается электродвижущая сила. Если провод подключен через электрическую нагрузку , потечет ток и, таким образом , генерируется электрическая энергия , преобразующая механическую энергию движения в электрическую. Например, генератор барабанов основан на рисунке в правом нижнем углу. Другой реализацией этой идеи является диск Фарадея , показанный в упрощенном виде справа.
В примере с диском Фарадея диск вращается в однородном магнитном поле, перпендикулярном диску, вызывая ток в радиальном плече из-за силы Лоренца. Для управления этим током необходима механическая работа. Когда генерируемый ток протекает через проводящий ободок, этот ток генерирует магнитное поле по закону цепи Ампера (на рисунке обозначено «индуцированная B»). Таким образом, обод становится электромагнитом , препятствующим вращению диска (пример закона Ленца ). На дальней стороне рисунка обратный ток течет от вращающегося рычага через дальнюю сторону обода к нижней щетке. B-поле, индуцированное этим обратным током, противодействует приложенному B-полю, стремясь уменьшить поток через эту сторону цепи, противодействуя увеличению потока из-за вращения. На ближней стороне рисунка обратный ток течет от вращающегося рычага через ближнюю сторону обода к нижней щетке. Индуцированное B-поле увеличивает поток на этой стороне цепи, противодействуя уменьшению потока из-за вращения. Энергия, необходимая для поддержания движения диска, несмотря на эту реактивную силу, в точности равна вырабатываемой электрической энергии (плюс энергия, потраченная впустую из-за трения , джоулева нагрева и других неэффективностей). Такое поведение характерно для всех генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую.
Когда электрический ток в проводной петле изменяется, изменяющийся ток создает изменяющееся магнитное поле. Второй провод, находящийся в пределах досягаемости этого магнитного поля, испытает это изменение магнитного поля как изменение связанного с ним магнитного потока . Следовательно, во втором контуре возникает электродвижущая сила, называемая ЭДС индукции или ЭДС трансформатора. Если два конца этой петли соединить через электрическую нагрузку, будет течь ток.
Токовые клещи — это тип трансформатора с разделенным сердечником, который можно раздвинуть и закрепить на проводе или катушке для измерения тока в нем или, наоборот, для создания напряжения. В отличие от обычных инструментов, зажим не имеет электрического контакта с проводником и не требует его отсоединения во время крепления зажима.
Закон Фарадея используется для измерения расхода электропроводящих жидкостей и суспензий. Такие приборы называются магнитными расходомерами. Таким образом , индуцированное напряжение ε, генерируемое в магнитном поле B из-за движения проводящей жидкости со скоростью v , определяется выражением:
где ℓ — расстояние между электродами магнитного расходомера.
Электрические проводники, движущиеся в постоянном магнитном поле, или неподвижные проводники в изменяющемся магнитном поле, будут иметь круговые токи, индуцированные внутри них индукцией, называемые вихревыми токами . Вихревые токи текут по замкнутым контурам в плоскостях, перпендикулярных магнитному полю. Они находят полезное применение в вихретоковых тормозах и системах индукционного нагрева . Однако вихревые токи, индуцированные в металлических магнитных сердечниках трансформаторов, двигателей и генераторов переменного тока, нежелательны, поскольку они рассеивают энергию (так называемые потери в сердечнике ) в виде тепла на сопротивлении металла. В сердечниках этих устройств используется ряд методов уменьшения вихревых токов:
Вихревые токи возникают, когда твердая металлическая масса вращается в магнитном поле, потому что внешняя часть металла разрезает больше магнитных силовых линий , чем внутренняя часть; следовательно, наведенная электродвижущая сила неоднородна; это имеет тенденцию вызывать электрические токи между точками наибольшего и наименьшего потенциала. Вихревые токи потребляют значительное количество энергии и часто вызывают вредное повышение температуры. [25]
В этом примере показаны только пять пластин или пластин, чтобы показать разделение вихревых токов. При практическом использовании количество пластин или перфораций колеблется от 40 до 66 на дюйм (от 16 до 26 на сантиметр), что снижает потери на вихревые токи примерно до одного процента. Хотя пластины можно разделить изоляцией, напряжение настолько низкое, что естественного ржавого/оксидного покрытия пластин достаточно, чтобы предотвратить протекание тока через пластины. [25]
Это ротор диаметром примерно 20 мм от двигателя постоянного тока, используемого в проигрывателе компакт-дисков. Обратите внимание на пластины полюсных наконечников электромагнита, используемые для ограничения паразитных индуктивных потерь.
На этом рисунке сплошной медный проводник на вращающемся якоре проходит под кончиком полюсного наконечника N полевого магнита. Обратите внимание на неравномерное распределение силовых линий по медному стержню. Магнитное поле более сконцентрировано и, следовательно, сильнее на левом краю медного стержня (a,b), тогда как поле слабее на правом краю (c,d). Поскольку два края стержня движутся с одинаковой скоростью, эта разница в напряженности поля поперек стержня создает завитки или вихри тока внутри медного стержня. [25]
Сильноточные устройства промышленной частоты, такие как электродвигатели, генераторы и трансформаторы, используют несколько параллельных небольших проводников для разрушения вихревых потоков, которые могут образовываться внутри крупных сплошных проводников. Тот же принцип применяется к трансформаторам, применяемым на частоте выше промышленной, например, применяемым в импульсных источниках питания и трансформаторах связи промежуточной частоты радиоприемников.