Закон электромагнитной индукции Фарадея

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
 Просмотр этого шаблона  Классическая электродинамика
VFPt Solenoid correct2.svg
Электричество · Магнетизм
См. также: Портал:Физика

Зако́н электромагни́тной инду́кции Фараде́я является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов.[1] Закон гласит:

Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятого со знаком минус.[1]

или другими словами:

Генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

История[править | править вики-текст]

Электромагнитная индукция была обнаружена независимо друг от друга Майклом Фарадеем и Джозефом Генри в 1831 году, однако Фарадей первым опубликовал результаты своих экспериментов[2][3].

В первой экспериментальной демонстрации электромагнитной индукции (август 1831) Фарадей обмотал двумя проводами противоположные стороны железного тора (конструкция похожа на современный трансформатор). Основываясь на своей оценке недавно обнаруженного свойства электромагнита, он ожидал, что при включении тока в одном проводе особого рода волна пройдёт сквозь тор и вызовет некоторое электрическое влияние на его противоположной стороне. Он подключил один провод к гальванометру и смотрел на него, когда другой провод подключал к батарее. В самом деле, он увидел кратковременный всплеск тока (который он назвал «волной электричества»), когда подключал провод к батарее, и другой такой же всплеск, когда отключал его.[4] В течение двух месяцев Фарадей нашёл несколько других проявлений электромагнитной индукции. Например, он увидел всплески тока, когда быстро вставлял магнит в катушку и вытаскивал его обратно, он генерировал постоянный ток во вращающемся вблизи магнита медном диске со скользящим электрическим проводом («диск Фарадея»)[5].

Диск Фарадея

Фарадей объяснил электромагнитную индукцию с использованием концепции так называемых силовых линий. Однако, большинство учёных того времени отклонили его теоретические идеи, в основном потому, что они не были сформулированы математически.[6] Исключение составил Максвелл, который использовал идеи Фарадея в качестве основы для своей количественной электромагнитной теории.[6][7][8] В работах Максвелла аспект изменения во времени электромагнитной индукции выражен в виде дифференциальных уравнений. Оливер Хевисайд назвал это законом Фарадея, хотя он несколько отличается по форме от первоначального варианта закона Фарадея и не учитывает индуцирование ЭДС при движении. Версия Хевисайда является формой признанной сегодня группы уравнений, известных как уравнения Максвелла.

Эмилий Христианович Ленц сформулировал в 1834 году закон (правило Ленца), который описывает «поток через цепь» и даёт направление индуцированной ЭДС и тока в результате электромагнитной индукции.

Эксперимент Фарадея, показывающий индукцию между витками провода: жидкостная батарея (справа) даёт ток, который протекает через небольшую катушку (A), создавая магнитное поле. Когда катушки неподвижны, ток не индуцируется. Но когда маленькая катушка вставляется или извлекается из большой катушки (B), магнитный поток через катушку изменяется, вызывая ток, который регистрируется гальванометром (G).[9]

Закон Фарадея как два различных явления[править | править вики-текст]

Некоторые физики отмечают, что закон Фарадея в одном уравнении описывает два разных явления: двигательную ЭДС, генерируемую действием магнитной силы на движущийся провод, и трансформаторную ЭДС, генерируемую действием электрической силы вследствие изменения магнитного поля. Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на этот факт в своей работе О физических силовых линиях в 1861 году. Во второй половине части II этого труда Максвелл даёт отдельное физическое объяснение для каждого из этих двух явлений. Ссылка на эти два аспекта электромагнитной индукции имеется в некоторых современных учебниках.[10] Как пишет Ричард Фейнман:[11]

Таким образом, «правило потока» о том, что ЭДС в цепи равна скорости изменения магнитного потока через контур, применяется независимо от причины изменения потока: то ли потому что поле изменяется, то ли потому что цепь движется (или и то, и другое).... В нашем объяснении правила мы использовали два совершенно различных закона для двух случаев  –    \stackrel{\mathbf{v \times B}}{}   для «движущейся цепи» и   \stackrel{\mathbf{\nabla \ x \ E \  = \  -\part_{\ t} B}}{}   для «меняющегося поля».


Мы не знаем никакого аналогичного положения в физике, когда такие простые и точные общие принципы требовали бы для своего реального понимания анализа с точки зрения двух различных явлений.

Ричард Фейнман,   Фейнмановские лекции по физике

Отражение этой очевидной дихотомии было одним из основных путей, которые привели Эйнштейна к разработке специальной теории относительности:

Известно, что электродинамика Максвелла — как её обычно понимают в настоящее время — при применении к движущимся телам приводит к асимметрии, которая, как кажется, не присуща этому явлению. Возьмем, к примеру, электродинамическое взаимодействие магнита и проводника. Наблюдаемое явление зависит только от относительного движения проводника и магнита, тогда как обычное мнение рисует резкое различие между этими двумя случаями, в которых либо одно, либо другое тело находится в движении. Ибо, если магнит находится в движении, а проводник покоится, в окрестности магнита возникает электрическое поле с определенной плотностью энергии, создавая ток там, где расположен проводник. Но если магнит покоится, а проводник движется, то в окрестности магнита никакое электрическое поле не возникает. В проводнике, однако, мы находим электродвижущую силу, для которой не существует соответствующей энергии самой по себе, но которая вызывает — предполагая равенство относительного движения в двух обсуждаемых случаях — электрические токи по тому же направлению и той же интенсивности, как в первом случае.



Примеры подобного рода вместе с неудачной попыткой обнаружить какое-либо движение Земли относительно «светоносной среды» предполагают, что явления электродинамики, а также механики не обладают свойствами, соответствующими идее абсолютного покоя.


Альберт Эйнштейн, К электродинамике движущихся тел[12]

Поток через поверхность и ЭДС в контуре[править | править вики-текст]

Определение поверхностного интеграла предполагает, что поверхность Σ поделена на мелкие элементы. Каждый элемент связан с вектором dA, величина которого равна площади элемента, а направление — по нормали к элементу во внешнюю сторону.
Векторное поле F(r, t) определено во всём пространстве, а поверхность Σ ограничена кривой ∂Σ, движущейся со скоростью v. По этой поверхности производится интегрирование поля.

Закон электромагнитной индукции Фарадея использует понятие магнитного потока ΦB через замкнутую поверхность Σ, который определён через поверхностный интеграл:

 \Phi = \iint\limits_{S} \mathbf{B_n} \cdot d \mathbf{S},

где dS — площадь элемента поверхности Σ(t), B — магнитное поле, а B·dS — скалярное произведение B и dS. Предполагается, что поверхность имеет «устье», очерчённое замкнутой кривой, обозначенной ∂Σ(t). Закон индукции Фарадея утверждает, что когда поток изменяется, то при перемещении единичного положительного пробного заряда по замкнутой кривой ∂Σ совершается работа \mathcal{E}, величина которой определяется по формуле:

|\mathcal{E}| = \left|{{d\Phi} \over dt} \right| \ ,

где |\mathcal{E}| — величина электродвижущей силы (ЭДС) в вольтах, а ΦB — магнитный поток в веберах. Направление электродвижущей силы определяется законом Ленца.

Для плотно намотанной катушки индуктивности, содержащей N витков, каждый с одинаковым магнитным потоком ΦB, закон индукции Фарадея утверждает, что:

 |\mathcal{E}| =  N \left| {{d\Phi_B} \over dt} \right|

где N — число витков провода, ΦB — магнитный поток в веберах на один виток.

При выборе пути ∂Σ(t) для нахождения ЭДС заметим, что путь должен удовлетворять двум основным требованиям: (i) путь должен быть замкнутым, и (ii) путь должен охватывать относительное движение частей контура (источник происхождения t-зависимости в ∂Σ(t)). К требованиям не относится то, что путь должен совпадать с линией тока, но, конечно, ЭДС, которая находится по закону потока, будет считаться по выбранному пути. Если путь не совпадает с линией тока, то подсчитанная ЭДС, возможно, будет не та ЭДС, которая вызывает ток.

Пример 1: пространственно меняющееся магнитное поле[править | править вики-текст]

Рис. 3. Замкнутый прямоугольный провод движется вдоль оси x со скоростью v в магнитном поле, которое изменяется в вдоль x.

Рассмотрим случай на рисунке 3, на котором прямоугольная замкнутая проволочная петля, расположенная в плоскости xy, перемещается в направлении оси x со скоростью v. Центр петли xC удовлетворяет условию v = dxC / dt. Петля имеет длину ℓ в направлении оси y и ширину w в направлении оси x. Зависящее от времени пространственно меняющееся магнитное поле B(x) показано в направлении z. Магнитное поле на левой стороне равно B(xC − w / 2), а на правой стороне B(xC + w / 2). Электродвижущую силу можно найти либо с помощью закона Лоренца, либо, что эквивалентно, используя вышеизложенный закон индукции Фарадея.

Закон Лоренца[править | править вики-текст]

Заряд q в проводнике на левой стороне петли испытывает силу Лоренца q v × B k = −q v B(xC − w / 2) j   (j, k — единичные векторы в направлениях y и z; см. векторное произведение векторов), что вызывает ЭДС (работу на единицу заряда) v ℓ B(xC − w / 2) по всей длине левой стороны петли. На правой стороне петля аналогичное рассуждение показывает, что ЭДС равна v ℓ B(xC + w / 2). Две противоположные друг другу ЭДС толкают положительный заряд по направлению к нижней части петли. В случае, когда поле B возрастает вдоль х, сила на правой стороне будет больше, а ток будет течь по часовой стрелке. Используя правило правой руки, мы получаем, что поле B, создаваемое током, противоположно приложенному полю.[13] ЭДС, вызывающая ток, должна увеличиваться по направлению против часовой стрелки (в отличие от тока). Складывая ЭДС в направлении против часовой стрелки вдоль петли мы находим:

 \mathcal{E} = v\ell  [ B(x_C+w/2) - B(x_C-w/2)] \ .

Закон Фарадея[править | править вики-текст]

В любой точке петли магнитный поток через неё равен:

\Phi_B = \pm \int_0^{\ell} dy \int_{x_C-w/2}^{x_C+w/2} B(x) dx
= \pm \ell \int_{x_C-w/2}^{x_C+w/2} B(x) dx \ .

Выбор знака определяется по принципу, имеет ли нормаль к поверхности в данной точке то же направление, что и B, или противоположное. Если нормаль к поверхности имеет то же направление, что и поле B наведённого тока, этот знак отрицательный. Производная по времени от потока (найденная с помощью методов дифференцирования сложной функции или по правилу Лейбница дифференцирования интеграла) равна:

\frac {d \Phi_B} {dt} =  (-) \frac {d}{dx_C} \left[ \int_0^{\ell}dy \ \int_{x_C-w/2}^{x_C+w/2} dx B(x)\right] \frac {dx_C}{dt} \ ,
  = (-)  v\ell  [ B(x_C+w/2) - B(x_C-w/2)] \ ,

(где v = dxC / dt является скоростью движения петли в направлении оси х), что приводит к:

 \mathcal{E} = -\frac {d\Phi_B} {dt} = v\ell  [ B(x_C+w/2) - B(x_C-w/2)] \ ,

как и в предыдущем случае.

Эквивалентность этих двух подходов является общеизвестной, и в зависимости от решаемой задачи более практичным может оказаться либо тот, либо другой метод.

Пример 2: петля, движущаяся в постоянном магнитном поле[править | править вики-текст]

Рис. 4. Замкнутый прямоугольный провод вращается с угловой скоростью ω в радиальном, направленном наружу магнитном поле B фиксированной величины. Ток снимается щётками, касающимися верхнего и нижнего дисков с проводящими ободами.

На рис. 4 показан шпиндель, образованный двумя дисками с проводящими ободами, и проводящая петля, расположенная вертикально между этими ободами. Эта конструкция вращается в магнитном поле, которое направлено радиально наружу и имеет одно и то же значение в любом направлении. Радиально ориентированный коллекторный обратный контур на концах петли снимает ток с проводящих поверхностей ободов. Расположение коллекторного обратного контура по отношению к полю B таково, что поле имеет направление в плоскости этого коллекторного контура, поэтому сам он не вносит никакого дополнительного потока в цепь. Электродвижущую силу можно найти непосредственно с помощью вышеизложенного закона Фарадея.

Закон Лоренца[править | править вики-текст]

В этом случае сила Лоренца вызывает направленный вниз ток в двух вертикальных плечах петли, то есть ток течёт от верхнего диска к нижнему. В проводящих ободах диска сила Лоренца перпендикулярна ободу, поэтому никакой ЭДС в ободах не генерируется, также как и в горизонтальной части движущейся петли. Ток передаётся от нижнего обода к верхнему через внешний обратный контур, который ориентирован в плоскости поля B. Таким образом, сила Лоренца в обратной петле перпендикулярна к петле, и ЭДС в ней не генерируется. Обходя путь в направлении, противоположном направлению тока, мы находим, что работа против силы Лоренца производится только в вертикальном плече движущейся петли, и она равна:

F = qBv\, .

где v = скорости движущегося заряда[14]

Следовательно, ЭДС

 \mathcal {E} = B v \ell = B r \ell \omega\, ,

где v = скорости проводника или магнита,[14] а l = вертикальной длине петли. В этом случае скорость связана с угловой скоростью вращения v = r ω, где r = радиусу цилиндра. Обратите внимание, что такая же работа выполняется по любому пути, который вращается вместе с петлёй и соединяет верхний и нижний ободы.

Закон Фарадея[править | править вики-текст]

Интуитивно привлекательный, но ошибочный подход к использованию правила потока выражает поток через цепь по формуле ΦB = B w ℓ, где w — ширина движущейся петли. Это выражение не зависит от времени, поэтому из этого неправильно следует, что никакой ЭДС не генерируется. Ошибка этого утверждения состоит в том, что в нём не учитывается весь путь тока через замкнутую петлю.

Для правильного использования правила потока мы должны рассмотреть весь путь тока, который включает в себя путь через ободы на верхнем и нижнем дисках. Мы можем выбрать произвольный замкнутый путь через ободы и вращающуюся петлю, и по закону потока найти ЭДС по этому пути. Любой путь, который включает сегмент, прилегающий к вращающейся петле, учитывает относительное движение частей цепи.

В качестве примера рассмотрим путь, проходящий в верхней части цепи в направлении вращения верхнего диска, а в нижней части цепи — в противоположном направлении по отношению к нижнему диску (показано стрелками на рис. 4). В этом случае если вращающаяся петля отклонилась на угол θ от коллекторной петли, то её можно рассматривать как часть цилиндра площадью A = r ℓ θ. Эта площадь перпендикулярна полю B, и вносимый ею вклад в поток равен:

 \Phi_B =  -B r \theta \ell \ ,

где знак является отрицательным, потому что по правилу правой руки поле B, генерируемое петлёй с током, противоположно по направлению приложенному полю B'. Поскольку это только зависящая от времени часть потока, по закону потока ЭДС равна:

 \mathcal{E} = -\frac {d \Phi_B} {dt} = B r  \ell \frac {d \theta} {dt}
 = B r \ell \omega \ ,

в согласии с формулой закона Лоренца.

Теперь рассмотрим другой путь, в котором проход по ободам дисков выберем через противоположные сегменты. В этом случае связанный поток будет уменьшаться при увеличении θ, но по правилу правой руки токовая петля добавляет приложенное поле B, поэтому ЭДС для этого пути будет точно такое же значение, как и для первого пути. Любой смешанный возвратный путь приводит к такому же результату для значения ЭДС, так что это на самом деле не имеет значения, какой путь выбрать.

Прямая оценка изменения потока[править | править вики-текст]

Рис. 5. Упрощенная версия рис. 4. Петля скользит со скоростью v в стационарном однородном поле B.

Использование замкнутого пути для вычисления ЭДС, как это сделано выше, зависит от детальной геометрии пути. В отличие от этого, использование закона Лоренца не зависит от таких ограничений. Нижеследующее рассмотрение предназначено для лучшего понимания эквивалентности путей и позволит избежать выяснения деталей выбранного пути при использовании закона потока.

Рис. 5 является идеализацией рисунка 4, здесь изображена проекция цилиндра на плоскость. Действителен тот же анализ по связанному пути, но сделаны некоторые упрощения. Не зависящие от времени детали цепи не могут влиять на скорость изменения потока. Например, при постоянной скорости скольжения петли протекание тока через петлю не зависит от времени. Вместо того, чтобы при вычислениях ЭДС рассматривать детали выбранного замкнутого контура, можно сосредоточиться на области поля B, заметаемой движущейся петлёй. Предложение сводится к нахождению скорости, с которой поток пересекает цепь.[15] Это понятие обеспечивает прямую оценку скорости изменения потока, что позволяет не задумываться о более зависящих от времени деталях различных вариантов пути по цепи. Так же, как при применении закона Лоренца, становится ясно, что два любых пути, связанных со скользящей петлёй, но отличающиеся тем, каким образом они пересекают петлю, создают поток с такой же скоростью его изменения.

На рис. 5 область заметания в единицу времени равна dA / dt = v ℓ, независимо от деталей выбранного замкнутого пути, так что по закону индукции Фарадея ЭДС равна:[16]

 \mathcal{E} = {{d\Phi_B} \over dt} = B v \ell \ .

Этот путь независимой ЭДС показывает, что если скользящая петля заменена твёрдой проводящей пластиной или даже некоторой сложной искривлённой поверхностью, анализ будет такой же: найти поток в заметаемой области движущиеся части цепи. Аналогичным образом, если скользящая петля в барабане генератора на рис. 4 заменяется на твёрдый проводящий цилиндр, расчет заметаемой площади делается точно так же, как и в случае с простой петлёй. То есть ЭДС, вычисленная по закону Фарадея, будет точно такая же, как в случае цилиндра с твёрдыми проводящими стенками, или, если хотите, цилиндра со стенками из тёртого сыра. Заметим, однако, что ток, протекающий в результате этой ЭДС, не будет точно таким же, потому что ток зависит ещё от сопротивления цепи.

Уравнение Фарадея — Максвелла[править | править вики-текст]

Рис. 6. Иллюстрация теоремы Кельвина-Стокса с помощью поверхности Σ, её границы ∂Σ и ориентации n , установленной правилом правой руки.

Переменное магнитное поле создаёт электрическое поле, описываемое уравнением Фарадея — Максвелла:

\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}

где:

\nabla\times обозначает ротор
E — электрическое поле
B — плотность магнитного потока.

Это уравнение присутствует в современной системе уравнений Максвелла, часто его называют законом Фарадея. Однако, поскольку оно содержит только частные производные по времени, его применение ограничено ситуациями, когда заряд покоится в переменном по времени магнитном поле. Оно не учитывает электромагнитную индукцию в случаях, когда заряженная частица движется в магнитном поле.

В другом виде закон Фарадея может быть записан через интегральную форму теоремы Кельвина-Стокса:[17]

 \oint_{\partial \Sigma} \mathbf{E} \cdot d\boldsymbol{\ell} = - \int_{\Sigma}  { \partial \over {\partial t} } \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A}

Для выполнения интегрирования требуется независимая от времени поверхность Σ (рассматриваемая в данном контексте как часть интерпретации частных производных). Как показано на рис. 6:

Σ — поверхность, ограниченная замкнутым контуром ∂Σ, причём, как Σ, так и ∂Σ являются фиксированными, не зависящими от времени,
E — электрическое поле,
d — бесконечно малый элемент контура ∂Σ,
B — магнитное поле,
dA — бесконечно малый элемент вектора поверхности Σ.

Элементы d и dA имеют неопределённые знаки. Чтобы установить правильные знаки, используется правило правой руки, как описано в статье о теореме Кельвина-Стокса. Для плоской поверхности Σ положительное направление элемента пути d кривой ∂Σ определяется правилом правой руки, по которому на это направление указывают четыре пальца правой руки, когда большой палец указывает в направлении нормали n к поверхности Σ.

Интеграл по ∂Σ называется интеграл по пути или криволинейным интегралом. Поверхностный интеграл в правой части уравнения Фарадея-Максвелла является явным выражением для магнитного потока ΦB через Σ. Обратите внимание, что ненулевой интеграл по пути для E отличается от поведения электрического поля, создаваемого зарядами. Генерируемое зарядом E-поле может быть выражено как градиент скалярного поля, которое является решением уравнения Пуассона и имеет нулевой интеграл по пути.

Интегральное уравнение справедливо для любого пути ∂Σ в пространстве и любой поверхности Σ, для которой этот путь является границей.

Рис. 7. Площадь заметания элемента вектора d кривой ∂Σ за время dt при движении со скоростью v.

Используя[18]

\frac{\text{d}}{\text{d}t}\int\limits_{A}{\mathbf{B}}\text{ d}\mathbf{A}=\int\limits_{A}{\left( \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}+\mathbf{v}\ \text{div}\ \mathbf{B}+\text{curl}\;(\mathbf{B}\times \mathbf{v}) \right)\;\text{d}}\mathbf{A}

и принимая во внимание \text{div}\mathbf{B}=0 (Ряд Гаусса), \mathbf{B}\times \mathbf{v}=-\mathbf{v}\times \mathbf{B} (Векторное произведение) и \int_A \text{curl}\; \mathbf{X} \;\mathrm{d}\mathbf{A} = \oint_{\partial A} \mathbf{X} \;\text{d}\boldsymbol{\ell} (теорема Кельвина — Стокса), мы находим, что полная производная магнитного потока может быть выражена

\int\limits_{\Sigma}\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \textrm{d}\mathbf{A} = \frac{\text{d}}{\text{d}t}\int\limits_{\Sigma}{\mathbf{B}}\text{ d}\mathbf{A} + \oint_{\partial \Sigma} \mathbf{v}\times \mathbf{B}\,\text{d} \boldsymbol{\ell}

Добавляя член \oint \mathbf{v} \times \mathbf{B} \mathrm{d}\mathbf{\ell} к обеим частям уравнения Фарадея-Максвелла и вводя вышеприведённое уравнение, мы получаем:

\oint\limits_{\partial \Sigma }{(\mathbf{E}+\mathbf{v}\times \mathbf{B})}\text{d}\ell =\underbrace{-\int\limits_{\Sigma }{\frac{\partial }{\partial t}}\mathbf{B}\text{d}\mathbf{A}}_{\text{induced}\ \text{emf}}+\underbrace{\oint\limits_{\partial \Sigma }{\mathbf{v}}\times \mathbf{B}\text{d}\ell }_{\text{motional}\ \text{emf}}=-\frac{\text{d}}{\text{d}t}\int\limits_{\Sigma }{\mathbf{B}}\text{ d}\mathbf{A},

что и является законом Фарадея. Таким образом, закон Фарадея и уравнения Фарадея-Максвелла физически эквивалентны.

Рис. 7 показывает интерпретацию вклада магнитной силы в ЭДС в левой части уравнения. Площадь, заметаемая сегментом d кривой ∂Σ за время dt при движении со скоростью v, равна:

 d\mathbf{A} = -d \boldsymbol{\ell \times v } dt \ ,

так что изменение магнитного потока ΔΦB через часть поверхности, ограниченной ∂Σ за время dt, равно:

\frac {d \Delta \Phi_B} {dt} = -\mathbf{B} \cdot \ d \boldsymbol{\ell \times v } \ = -\mathbf{v} \times \mathbf{B} \cdot \ d \boldsymbol{\ell} \ ,

и если сложить эти ΔΦB-вклады вокруг петли для всех сегментов d, мы получим суммарный вклад магнитной силы в закон Фарадея. То есть этот термин связан с двигательной ЭДС.

Пример 3: точка зрения движущегося наблюдателя[править | править вики-текст]

Возвращаясь к примеру на рис. 3, в движущейся системе отсчета выявляется тесная связь между E- и B-полями, а также между двигательной и индуцированной ЭДС.[19] Представьте себе наблюдателя, движущегося вместе с петлёй. Наблюдатель вычисляет ЭДС в петле с использованием как закона Лоренца, так и с использованием закона электромагнитной индукции Фарадея. Поскольку этот наблюдатель движется с петлей, он не видит никакого движения петли, то есть нулевую величину v × B. Однако, поскольку поле B меняется в точке x, движущийся наблюдатель видит изменяющееся во времени магнитного поля, а именно:

 \mathbf{B} = \mathbf{k}{B}(x+vt) \ ,

где k  — единичный вектор в направлении z.[20]

Закон Лоренца[править | править вики-текст]

Уравнение Фарадея-Максвелла говорит, что движущийся наблюдатель видит электрическое поле Ey в направлении оси y, определяемое по формуле:

 \nabla \times \mathbf{E} = \mathbf{k}\ \frac {dE_y}{dx}
=- \frac { \partial \mathbf{B}}{\partial t}=-\mathbf{k}\frac {d B(x+vt)} {dt} = -\mathbf{k}\frac {dB}{dx} v \  \ ,

Применяя правило дифференцирования сложной функции:

 \frac {dB}{dt} = \frac {dB}{d(x+vt)} \frac {d(x+vt)}{dt} =\frac {dB} {dx} v \ .

Решение для Ey с точностью до постоянной, которая ничего не добавляет в интеграл по петле:

 E_y (x,\ t) = -B(x+vt) \ v \ .

Используя закон Лоренца, в котором имеется только компонента электрического поля, наблюдатель может вычислить ЭДС по петле за время t по формуле:

 \mathcal{E} = -\ell  [ E_y (x_C+w/2,\ t) - E_y(x_C-w/2,\ t)]
  = v\ell  [ B(x_C+w/2+v t) - B(x_C-w/2+vt)] \ ,

и мы видим, что точно такой же результат найден для неподвижного наблюдателя, который видит, что центр масс xC сдвинулся на величину xC + v t. Однако, движущийся наблюдатель получил результат под впечатлением, что в законе Лоренца действовала только электрическая составляющая, тогда как неподвижный наблюдатель думал, что действовала только магнитная составляющая.

Закон индукции Фарадея[править | править вики-текст]

Для применения закона индукции Фарадея рассмотрим наблюдателя, движущегося вместе с точкой xC. Он видит изменение магнитного потока, но петля ему кажется неподвижной: центр петли xC фиксирован, потому что наблюдатель движется вместе с петлей. Тогда поток:

\Phi_B =-\int_0^{\ell} dy \int_{x_C-w/2}^{x_C+w/2} B(x+vt) dx \ ,

где знак минуса возникает из-за того, что нормаль к поверхности имеет направление, противоположное приложенному полю B. Из закона индукции Фарадея ЭДС равна:

 \mathcal{E} = -\frac {d\Phi_B} {dt} =  \int_0^{\ell} dy \int_{x_C-w/2}^{x_C+w/2} \frac{d}{dt}B(x+vt) dx
 =  \int_0^{\ell} dy \int_{x_C-w/2}^{x_C+w/2} \frac{d}{dx}B(x+vt)\ v\  dx
=v\ell \  [ B(x_C+w/2+vt) - B(x_C-w/2+vt)] \ ,

и мы видим тот же результат. Производная по времени используется при интегрировании, поскольку пределы интегрирования не зависят от времени. Опять же, для преобразования производной по времени в производную по x используются методы дифференцирования сложной функции.

Неподвижный наблюдатель видит ЭДС как двигательную , тогда как движущийся наблюдатель думает, что это индуцированная ЭДС.[21]

Электрический генератор[править | править вики-текст]

Рис. 8. Электрический генератор на основе диска Фарадея. Диск вращается с угловой скоростью ω, при этом проводник, расположенный вдоль радиуса, движется в статическом магнитном поле B. Магнитная сила Лоренца v × B создаёт ток вдоль проводника по направлению к ободу, затем цепь замыкается через нижнюю щётку и ось поддержки диска. Таким образом, вследствие механического движения генерируется ток.

Явление возникновения ЭДС, порождённой по закону индукции Фарадея из-за относительного движения контура и магнитного поля, лежит в основе работы электрических генераторов. Если постоянный магнит перемещается относительно проводника или наоборот, проводник перемещается относительно магнита, то возникает электродвижущая сила. Если проводник подключён к электрической нагрузке, то через неё будет течь ток, и следовательно, механическая энергия движения будет превращаться в электрическую энергию. Например, дисковый генератор построен по тому же принципу, как изображено на рис. 4. Другой реализацией этой идеи является диск Фарадея, показанный в упрощённом виде на рис. 8. Обратите внимание, что и анализ рис. 5, и прямое применение закона силы Лоренца показывают, что твёрдый проводящий диск работает одинаковым образом.

В примере диска Фарадея диск вращается в однородном магнитном поле, перпендикулярном диску, в результате чего возникает ток в радиальном плече благодаря силе Лоренца. Интересно понять, как получается, что чтобы управлять этим током, необходима механическая работа. Когда генерируемый ток течёт через проводящий обод, по закону Ампера этот ток создаёт магнитное поле (на рис. 8 оно подписано «индуцированное B» — Induced B). Обод, таким образом, становится электромагнитом, который сопротивляется вращению диска (пример правила Ленца). В дальней части рисунка обратный ток течёт от вращающегося плеча через дальнюю сторону обода к нижней щётке. Поле В, создаваемое этим обратным током, противоположно приложенному полю, вызывая сокращение потока через дальнюю сторону цепи, в противовес увеличению потока, вызванного вращением. На ближней стороне рисунка обратный ток течёт от вращающегося плеча через ближнюю сторону обода к нижней щётке. Индуцированное поле B увеличивает поток по эту сторону цепи, в противовес снижению потока, вызванного вращением. Таким образом, обе стороны цепи генерируют ЭДС, препятствующую вращению. Энергия, необходимая для поддержания движения диска в противовес этой реактивной силе, в точности равна вырабатываемой электрической энергии (плюс энергия на компенсацию потерь из-за трения, из-за выделения тепла Джоуля и прочее). Такое поведение является общим для всех генераторов преобразования механической энергии в электрическую.

Хотя закон Фарадея описывает работу любых электрических генераторов, детальный механизм в разных случаях может отличаться. Когда магнит вращается вокруг неподвижного проводника, меняющееся магнитное поле создаёт электрическое поле, как описано в уравнении Максвелла-Фарадея, и это электрическое поле толкает заряды через проводник. Этот случай называется индуцированной ЭДС. С другой стороны, когда магнит неподвижен, а проводник вращается, на движущиеся заряды воздействует магнитная сила (как описывается законом Лоренца), и эта магнитная сила толкает заряды через проводник. Этот случай называется двигательной ЭДС.[22]

Электродвигатель[править | править вики-текст]

Электрический генератор может работать в «обратном направлении» и становиться двигателем. Рассмотрим, например, диск Фарадея. Предположим, постоянный ток течёт через проводящее радиальное плечо от какого-либо напряжения. Тогда по закону силы Лоренца на этот движущийся заряд воздействует сила в магнитном поле B, которая будет вращать диск в направлении, определённым правилом левой руки. При отсутствии эффектов, вызывающих диссипативные потери, таких как трение или тепло Джоуля, диск будет вращаться с такой скоростью, чтобы d ΦB / dt было равно напряжению, вызывающему ток.

Электрический трансформатор[править | править вики-текст]

ЭДС, предсказанная законом Фарадея, является также причиной работы электрических трансформаторов. Когда электрический ток в проволочной петле изменяется, меняющийся ток создаёт переменное магнитное поле. Второй провод в доступном для него магнитном поле будет испытывать эти изменения магнитного поля как изменения связанного с ним магнитного потока d ΦB / d t. Электродвижущая сила, возникающая во второй петле, называется индуцированной ЭДС или ЭДС трансформатора. Если два конца этой петли связать через электрическую нагрузку, то через неё потечёт ток.

Электромагнитные расходомеры[править | править вики-текст]

Закон Фарадея используется для измерения расхода электропроводящих жидкостей и суспензий. Такие приборы называются магнитными расходомерам. Наведённое напряжение ℇ, генерируемое в магнитном поле B за счет проводящей жидкости, движущейся со скоростью v, определяется по формуле:

\mathcal{E}= B \ell v,

где ℓ — расстояние между электродами в магнитном расходомере.

Паразитная индукция и тепловые потери[править | править вики-текст]

В любом металлическом объекте, движущемся по отношению к статическому магнитному полю, будут возникать индукционные токи, как и в любом неподвижном металлическом предмете по отношению к движущемуся магнитному полю. Эти энергетические потоки чаще всего нежелательны, из-за них в слое металла течёт электрический ток, который нагревает металл.

Есть ряд методов, используемых для борьбы с этими нежелательными индуктивными эффектами.

  • Электромагниты в электрических двигателях, генераторах и трансформаторах не делают из сплошного металла, а используют тонкие листы жести, называемые «ламинатами». Эти тонкие пластины уменьшают паразитные вихревые токи, как будет описано ниже.
  • Катушки индуктивности в электронике обычно используют магнитные сердечники, чтобы минимизировать паразитный ток. Их делают из смеси металлического порошка со связующим наполнителем, и они имеют различную форму. Связующий материал предотвращает прохождение паразитных токов через порошковый металл.

Расслоение электромагнита[править | править вики-текст]

Hawkins Electrical Guide - Figure 292 - Eddy currents in a solid armature.jpg

Вихревые токи возникают, когда сплошная масса металла вращается в магнитном поле, так как внешняя часть металла пересекает больше силовых линий, чем внутренняя, следовательно, индуцированная электродвижущая сила неравномерна и стремится создать токи между точками с наибольшим и наименьшим потенциалами. Вихревые токи потребляют значительное количество энергии, и часто приводят к вредному повышение температуры.[23]

Hawkins Electrical Guide - Figure 293 - Armature core with a few laminations showing effect on eddy currents.jpg

На этом примере показаны всего пять ламинатов или пластин для демонстрации расщепление вихревых токов. На практике число пластин или перфорация составляет от 40 до 66 на дюйм, что приводит к снижению потерь на вихревых токах примерно до одного процента. Хотя пластины могут быть отделены друг от друга изоляцией, но поскольку возникающие напряжения чрезвычайно низки, то естественной ржавчины или оксидного покрытия пластин достаточно, чтобы предотвратить ток через пластины.[23]

Small DC Motor pole laminations and overview.jpg

Это ротор от двигателя постоянного тока диаметром примерно 20 мм, используемого в проигрывателях компакт-дисков. Обратите внимание, для снижения паразитных индуктивных потерь сделано расслоение полюса электромагнита на части.

Паразитные потери в катушках индуктивности[править | править вики-текст]

Hawkins Electrical Guide - Figure 291 - Formation of eddy currents in a solid bar inductor.jpg

На этой иллюстрации сплошной медный стержень катушки индуктивности во вращающемся якоре просто проходит под кончиком полюса N магнита. Обратите внимание на неравномерное распределение силовых линий через стержень. Магнитное поле имеет большую концентрацию и, следовательно, сильнее на левом краю медного стержня (a, b), тогда как слабее по правому краю (c, d). Поскольку два края стержня будут двигаться с одинаковой скоростью, это различие в напряженности поля через стержень создаст вихри тока внутри медного стержня.[24]

Это одна из причин, по которой устройства с высоким напряжением, как правило, более эффективны, чем низковольтные устройства. Высоковольтные устройства имеют множество небольших витков провода в двигателях, генераторах и трансформаторах. Эти многочисленные небольшие витки провода в электромагните разбивают вихревые потоки, а в пределах больших, толстых катушек индуктивности низкого напряжения образуется вихревые токи большей величины.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Sadiku, M. N. O. Elements of Electromagnetics. — fourth. — New York (USA)/Oxford (UK): Oxford University Press, 2007. — P. 386. — ISBN 0-19-530048-3.
  2. Ulaby Fawwaz Fundamentals of applied electromagnetics. — 5th. — Pearson:Prentice Hall, 2007. — P. 255. — ISBN 0-13-241326-4.
  3. Joseph Henry. Distinguished Members Gallery, National Academy of Sciences. Архивировано из первоисточника 4 марта 2012.
  4. Michael Faraday, by L. Pearce Williams, p. 182-3
  5. Michael Faraday, by L. Pearce Williams, p. 191-5
  6. 1 2 Michael Faraday, by L. Pearce Williams, p. 510
  7. Maxwell, James Clerk (1904), A Treatise on Electricity and Magnetism, Vol. II, Third Edition. Oxford University Press, pp. 178-9 and 189.
  8. «Archives Biographies: Michael Faraday», The Institution of Engineering and Technology.
  9. Poyser, Arthur William (1892), Magnetism and electricity: A manual for students in advanced classes. London and New York; Longmans, Green, & Co., p. 285, fig. 248
  10. Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics. — Third. — Upper Saddle River NJ: Prentice Hall, 1999. — P. 301–3. — ISBN 0-13-805326-X.
  11. Richard Phillips Feynman, Leighton R B & Sands M L The Feynman Lectures on Physics. — San Francisco: Pearson/Addison-Wesley, 2006. — P. Vol. II, pp. 17-2. — ISBN 0805390499.
  12. A. Einstein, On the Electrodynamics of Moving Bodies
  13. В-поле наведенного тока ведет к снижению магнитного потока, в то время как движение цикла имеет тенденцию к увеличению (так как В (х) возрастает по мере цикла движений). Эти противоположные действия — пример принципа Ле Шателье в форме закона Ленца.
  14. 1 2 Chapter 5, Electromagnetic Induction, http://services.eng.uts.edu.au/cempe/subjects_JGZ/ems/ems_ch5_nt.pdf
  15. Это понятие восходит к силовым линиям Фарадея.
  16. Поскольку движущаяся петля пересекает местоположение коллекторной петли, поток заметания меняется с уменьшающегося на увеличивающийся. В это же время направление тока переключается с «против часовой стрелки» на «по часовой стрелке», так что поля B, генерируемое током, всегда направлено против изменения потока. Соответственно, знак dΦB / dt в закон Фарадея изначально отрицательный, а затем становится положительным, противоположно знаку изменения движения, поэтому ЭДС всегда положительна независимо от того, какая сторона коллектора движущейся петли задействована.
  17. Roger F Harrington Introduction to electromagnetic engineering. — Mineola, NY: Dover Publications, 2003. — P. 56. — ISBN 0486432416.
  18. K. Simonyi, Theoretische Elektrotechnik, 5th edition, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1973, equation 20, page 47
  19. В этом примере предполагается, что скорости движения намного меньше скорости света, поэтому корректировкой поля, связанной с преобразованиями Лоренца, можно пренебречь.
  20. Единственным способом определения этого является измерение x от xC в движущемся контуре, скажем ξ = x — xC (t). Тогда за время t движущийся наблюдатель увидит поле B (ξ, t), тогда как неподвижный наблюдатель увидит в той же точке поле B [ ξ + xC (t) ] = B (ξ + xC0 + v t) при xC0 = xC (t = 0).
  21. Peter Alan Davidson An Introduction to Magnetohydrodynamics. — Cambridge UK: Cambridge University Press, 2001. — P. 44. — ISBN 0521794870.
  22. Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics. — Third. — Upper Saddle River NJ: Prentice Hall, 1999. — P. 301–303. — ISBN 0-13-805326-X.
  23. 1 2 Images and reference text are from the public domain book: Hawkins Electrical Guide, Volume 1, Chapter 19: Theory of the Armature, pp. 272—273, Copyright 1917 by Theo. Audel & Co., Printed in the United States
  24. Images and reference text are from the public domain book: Hawkins Electrical Guide, Volume 1, Chapter 19: Theory of the Armature, pp. 270—271, Copyright 1917 by Theo. Audel & Co., Printed in the United States

Ссылки[править | править вики-текст]