Группа МЖКХ 1 Физика 22.04. Тема 6. Открытие явления электромагнитной индукции.
учебно-методический материал по физике

Вихревое электрическое поле

Переменное магнитное поле порождает индуцированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуцированного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.

     Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

   Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвеллом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

   В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

   Направление вектора напряженности вихревого электрического поля устанавливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

   Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, соизмеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

   Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами; 
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты; 
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

Изменение магнитного потока через контур может происходить: 1) в случае неподвижного проводящего контура, помещенного в изменяющееся во времени поле; 2) в случае проводника, движущегося в магнитном поле, которое может и не меняться со временем. Причем в обоих случаях происхождение ЭДС индукции различно. Пусть круговой проволочный виток радиусом r находится в переменном во времени однородном магнитном поле. Пусть индукция магнитного поля увеличивается, тогда будет увеличиваться со временем и магнитный поток через поверхность, ограниченную витком. Согласно закону электромагнитной индукции в витке появится индукционный ток. При изменении индукции магнитного поля по линейному закону индукционный ток будет постоянен. Какие же силы заставляют заряды в витке двигаться? Само магнитное поле может действовать только на движущиеся заряды, а проводник неподвижен. Но, на заряды, причем как на движущиеся, так и на неподвижные, может действовать электрическое поле. Откуда оно здесь взялось? Изменяясь во времени, магнитное поле порождает электрическое поле - к такому выводу впервые пришел Дж. Максвелл. Главное в явлении электромагнитной индукции — это процесс порождения меняющимся магнитным полем поля электрического, которое приводит в движение электрические заряды в этом проводнике. Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую природу, чем электростатическое. Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его линии напряженности не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле. Чем быстрее меняется магнитная индукция, тем больше напряженность вихревого электрического поля. По правилу Ленца: - при возрастании магнитной индукции направление вектора напряженности электрического поля образует левый винт с направлением вектора магнитной индукции, т.е. при вращении винта с левой нарезкой в направлении линий напряженности электрического поля поступательное перемещение винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции. - при убывании магнитной индукции направление вектора напряженности образует правый винт с направлением вектора магнитной индукции. Направление силовых линий напряженности вихревого поля совпадает с направлением индукционного тока. Сила, действующая со стороны вихревого электрического поля на заряд q (сторонняя сила), равна. Работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого неподвижного проводника численно равна ЭДС индукции в этом проводнике.

В массивных проводниках, чье сопротивление мало, индукционные токи очень велики, и вызывают сильный разогрев. Такие токи называются токами Фуко. Разогрев на основе индукционных токов используется в индукционных печах (например, в СВЧ-печах), для плавки металлов. Индукционные токи регистрируются в детекторах металла, устанавливаемых при контроле на входе. Однако во многих устройствах возникновение токов Фуко приводит к потерям энергии на выделение тепла. Поэтому железные сердечники трансформаторов, электродвигателей, генераторов и т. д. делают не сплошными, а состоящими из отдельных изолированных пластин, что уменьшает токи Фуко и, следовательно, потери энергии. На очень высоких частотах применение сердечников катушек из отдельных пластин уже не дает нужного эффекта. Здесь используют ферриты - магнитные изоляторы, в которых при перемагничивании вихревые токи не возникают. Из ферритов делают сердечники высокочастотных трансформаторов, магнитные антенны транзисторов.