Электромагнитное поле. Электромагнитная индукция

Зачем это нужно

В 8 классе мы узнали, что электрический ток создаёт магнитное поле. Майкл Фарадей задал обратный вопрос: может ли магнитное поле создать ток? Ответ — электромагнитная индукция — изменил мир. Почти вся электроэнергия на Земле вырабатывается генераторами, работающими на этом явлении. На нём же основаны трансформаторы, индукционные плиты, беспроводная зарядка телефонов, металлоискатели и транспортные карты.

Индукция магнитного поля

Силовая характеристика магнитного поля — вектор магнитной индукции $\vec{B}$. Его единица — тесла (Тл). Поле Земли — около $5 \cdot 10^{-5}$ Тл, поле магнита на холодильнике — около $0{,}01$ Тл, поле магнитно-резонансного томографа — 1,5–3 Тл.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Если проводник перпендикулярен линиям поля,

$F = B I l.$

Направление силы определяют по правилу левой руки: линии поля входят в ладонь, четыре пальца — по току, отогнутый большой палец показывает силу. На движущуюся заряженную частицу поле действует силой Лоренца: она искривляет траектории частиц — так возникают полярные сияния, а в старых телевизорах управляли электронным лучом.

Разобранный пример 1

Проводник длиной 0,5 м с током 5 А находится в поле 0,2 Тл перпендикулярно линиям. Найдите силу Ампера.

$F = 0{,}2 \cdot 5 \cdot 0{,}5 = 0{,}5$ Н.

Магнитный поток

Магнитный поток через контур площадью $S$, перпендикулярный линиям поля:

$\Phi = B S, \qquad [\Phi] = \text{Вб (вебер)}.$

Наглядно поток — это «количество линий», пронизывающих контур. Поток меняется, если меняется поле, площадь контура или его поворот относительно линий.

Явление электромагнитной индукции

В замкнутом контуре возникает электрический ток, если меняется магнитный поток через этот контур. Такой ток называется индукционным. Открыл явление Майкл Фарадей в 1831 году.

Важно: ток идёт, только пока поток меняется. Магнит, неподвижно лежащий в катушке, тока не даёт. Чем быстрее меняется поток, тем сильнее ток.

Правило Ленца: индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, которое его вызвало. Вдвигаем магнит — катушка его отталкивает, вынимаем — притягивает. Это следствие закона сохранения энергии: чтобы получить ток, приходится совершать работу.

Переменный ток и генератор

Если вращать рамку в магнитном поле, поток через неё периодически меняется и в ней возникает переменный ток — ток, периодически меняющий направление. Так работают генераторы электростанций. Турбину вращает пар (ТЭС, АЭС), падающая вода (ГЭС) или ветер. В России и Европе частота переменного тока в сети 50 Гц.

Трансформатор

Трансформатор повышает или понижает переменное напряжение. Он состоит из стального сердечника и двух обмоток. Переменный ток в первичной обмотке создаёт меняющийся магнитный поток, который индуцирует напряжение во вторичной:

$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = k.$

При $k > 1$ трансформатор понижающий, при $k < 1$ — повышающий. С постоянным током трансформатор не работает: поток не меняется.

Разобранный пример 2

Трансформатор включён в сеть 220 В. Первичная обмотка — 1100 витков, вторичная — 60. Найдите выходное напряжение.

$U_2 = 220 \cdot \frac{60}{1100} = 12$ В.

Разобранный пример 3 (передача энергии)

Почему электроэнергию передают под напряжением в сотни тысяч вольт?

Мощность $P = UI$. Если поднять напряжение в 10 раз, ток при той же мощности уменьшится в 10 раз, а потери на нагрев проводов $I^2 R$ — в 100 раз. Поэтому на электростанции напряжение повышают, а у потребителей снова понижают.

Индукция вокруг нас

• Индукционная плита: переменное поле катушки наводит в дне стальной кастрюли вихревые токи, и дно нагревается, а сама плита остаётся почти холодной.
• Беспроводная зарядка: катушка в зарядном устройстве и катушка в телефоне работают как трансформатор без сердечника.
• Металлоискатель и рамки в аэропорту замечают, как металлический предмет меняет магнитное поле.
• Транспортная карта получает энергию от поля турникета через встроенную антенну-катушку.

Электромагнитное поле

Джеймс Клерк Максвелл показал, что переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, а переменное электрическое — магнитное. Они неразрывно связаны и образуют единое электромагнитное поле, которое может распространяться в пространстве в виде волн.

Типичные ошибки

• Думать, что ток возникает при неподвижном магните внутри катушки.
• Путать правило левой руки (сила Ампера) и правило буравчика (направление линий поля тока).
• Подключать трансформатор к постоянному току.
• Путать отношение напряжений: $U_1 / U_2 = N_1 / N_2$, а не наоборот.
• Забывать, что поток зависит от ориентации контура.

Что дальше

• Электромагнитные волны. Свет как волна — электромагнитные волны: радио, свет, рентгеновские лучи.