Кіріспе
Электромагнетизмнің негізгі заңы – Фарадейдің индукция заңы (немесе жай ғана Фарадей заңы) – магнит өрісінің электр тізбегімен өзара әрекеттесуін, электромоторлық күш (ЭМК) тудыру арқылы болжайтын электромагнетизм заңы. Электромагниттік индукция деп аталатын бұл құбылыс – трансформаторлардың, индукторлардың, электр қозғалтқыштарының, генераторлардың және көптеген түрдегі соленоидтардың негізгі жұмыс принципі болып табылады. Максвелл-Фарадей теңдеуі (Максвелл теңдеулерінің бірі ретінде тізімделген) – кеңістікте өзгеретін (және магнит өрісінің уақыт бойынша өзгеруіне байланысты уақыт бойынша да өзгеретін) электр өрісінің уақыт бойынша өзгеретін магнит өрісімен бірге жүретінін сипаттайды. Ал Фарадей заңы бойынша, өткізгіш контур арқылы өтетін магнит ағыны уақыт бойынша өзгергенде, контурде электромоторлық күш (ЭМК) пайда болады, ол бірлік зарядқа жасалған электромагниттік жұмыс ретінде анықталады. Фарадей заңы ашылған, ал оның бір аспектісі (трансформатор ЭМК) кейін Максвелл-Фарадей теңдеуі ретінде формулировкаланды. Фарадей заңының теңдеуін Максвелл-Фарадей теңдеуі (трансформатор ЭМК-ты сипаттайды) және Лоренц күші (қозғалыс ЭМК-ты сипаттайды) арқылы шығаруға болады. Максвелл-Фарадей теңдеуінің интегралдық түрі тек трансформатор ЭМК-ты ғана сипаттайды, ал Фарадей заңының теңдеуі трансформатор ЭМК-ты да, қозғалыс ЭМК-ты да сипаттайды.
Faraday's law of induction (or simply Faraday's law) is a law of electromagnetism predicting how a magnetic field will interact with an electric circuit to produce an electromotive force (emf). This phenomenon, known as electromagnetic induction, is the fundamental operating principle of transformers, inductors, and many types of electric motors, generators and solenoids. The Maxwell–Faraday equation (listed as one of Maxwell's equations) describes the fact that a spatially varying (and also possibly time varying, depending on how a magnetic field varies in time) electric field always accompanies a time varying magnetic field, while Faraday's law states that there is emf (electromotive force, defined as electromagnetic work done on a unit charge when it has traveled one round of a conductive loop) on a conductive loop when the magnetic flux through the surface enclosed by the loop varies in time. Faraday's law had been discovered and one aspect of it (transformer emf) was formulated as the Maxwell–Faraday equation later. The equation of Faraday's law can be derived by the Maxwell–Faraday equation (describing transformer emf) and the Lorentz force (describing motional emf). The integral form of the Maxwell–Faraday equation describes only the transformer emf, while the equation of Faraday's law describes both the transformer emf and the motional emf.
Тарих
Электромагниттік индукцияны 1831 жылы Майкл Фарадей және 1832 жылы Джозеф Генри тәуелсіз түрде ашты. Фарадей өз тәжірибелерінің нәтижелерін бірінші болып жариялады. Фарадейдің 1831 жылғы 29 тамыздағы жазбасында электромагниттік индукцияның тәжірибелік демонстрациясы сипатталған (суретті қараңыз), онда екі сым темір сақинаның қарама-қарсы жақтарына оралған (қазіргі заманғы тороидтық трансформатор сияқты). Оның электромагниттердің жаңадан ашылған қасиеттерін бағалауы, бір сымда ток ағыла бастағанда, сақина арқылы бір түрлі толқын өтіп, қарсы жағындағы электрлік әсерге себеп болатынын көрсетті. Шындығында, сол жақ сымын батареяға қосып немесе ажыратқанда, оң жақ сымында гальванометр инесімен уақытша ток өлшенді (ол бұл құбылысты «электр толқыны» деп атады). Бұл индукция батарея қосылып, ажыратылған кезде магниттік ағымның өзгеруіне байланысты болды. Максвеллдің еңбектерінде электромагниттік индукцияның уақытқа қатысты өзгеру аспектісі Оливер Хевисайд Фарадей заңы деп атаған дифференциалдық теңдеу түрінде берілген, бірақ ол Фарадей заңының бастапқы нұсқасынан өзгеше және қозғалыс ЭҚК-ін сипаттамайды. Хевисайдтың нұсқасы (Максвелл-Фарадей теңдеуін қараңыз) – Максвелл теңдеулері тобында танылған форма. 1834 жылы Эмиль Ленцпен формулировкаланған Ленц заңы «тізбек арқылы ағынға» сипаттама береді және электромагниттік индукция нәтижесінде туындаған индукцияланған ЭҚК мен ток бағытын көрсетеді (төмендегі мысалдарда егжей-тегжейлі қарастырылған). Альберт Эйнштейннің айтуынша, оның арнайы салыстырмалылық теориясының көп бөлігінің негізі мен ашылуы 1834 жылы Фарадейдің индукция заңымен ұсынылған.
Ерекшеліктер
Фарадей заңының жалпылауға ұмтылу бар: Егер ∂Σ кеңістіктегі кез келген жабық контур болса, онда Σ арқылы өтетін магниттік ағынның уақыт бойынша туындысы ∂Σ контуры бойыншағы ЭҚК-ға тең болады. Алайда, бұл тұжырым әрқашан дұрыс емес, себебі ЭҚК өткізгіш болмаған жағдайда бос кеңістікте анықталмайды деген қарапайым себептен ғана емес. Бұрынғы бөлімде айтылғандай, Фарадей заңы абстрактілі контурдың жылдамдығы ∂Σ, электр тогын өткізетін материалдың нақты жылдамдығымен сәйкес келмесе, жұмыс істеуіне кепілдік берілмейді. Төменде көрсетілген екі мысал, ∂Σ контурының қозғалысы материалдың қозғалысынан ажыратылған кезде, көбінесе дұрыс емес нәтижелер алынатынын көрсетеді. Мұнда " (1) ['v'm] – өткізгіштің жылдамдығы, жол элементінің d'l' жылдамдығы емес және (2) жалпы жағдайда, уақыт бойынша ішінара туынды интегралдың сыртына шығарылмайды, өйткені аудан уақыттың функциясы болып табылады". Осы мақаланың екінші бөлігінің соңғы жартысында Максвелл осы екі құбылыстың әрқайсысына жеке физикалық түсіндірме береді. Кейбір қазіргі оқулықтар электромагниттік индукцияның осы екі аспектісіне сілтеме жасайды. Ричард Фейнман айтқандай:
Төрт өлшемді формализмге негізделген түсіндірме
Жалпы жағдайда, қозғалыс ЭҚК пайда болуын қозғалатын сымдағы немесе ауданын өзгертетін тізбектегі зарядтарға магниттік күштің әсері арқылы түсіндіру жеткіліксіз. Шындығында, сымдағы немесе тізбектегі зарядтар мүлдем болмауы мүмкін, онда осы жағдайда электромагниттік индукция әсері жоғалады ма? Бұл жағдай мақалада талданады, онда төрт өлшемді ковариантты формада электромагниттік өрістің интегралды теңдеулерін жазғанда, Фарадей заңында тізбек арқылы магниттік ағынның толық уақыт туындысы, жартылай уақыт туындысының орнына пайда болады. Осылайша, электромагниттік индукция магниттік өріс уақыт бойынша өзгергенде немесе тізбектің ауданы өзгергенде пайда болады. Физикалық тұрғыдан алғанда, индукциялық ЭҚК туралы емес, магниттік ағынның өзгеруі кезінде тізбекте пайда болатын индукциялық электр өрісінің күші туралы айту орынды. Бұл жағдайда, магниттік өрістің өзгеруіне үлес, векторлық потенциал арқылы жасалады. Егер тізбектің ауданы тұрақты магниттік өріс жағдайында өзгеретін болса, онда тізбектің бір бөлігі сөзсіз қозғалады, ал электр өрісі, стационарлық K жүйесіндегі магниттік өрістің Лоренц түрленуі нәтижесінде, K ко-жүйесіндегі тізбектің осы бөлігінде пайда болады. K-дегі өрістің болуы, тізбектегі зарядтардың болуына қарамастан, қозғалатын тізбектегі индукциялық әсердің нәтижесі ретінде қарастырылады. Жетекші тізбекте өріс зарядтардың қозғалысына себеп болады. K жүйесінде бұл индукция ЭҚК-ның пайда болуы сияқты көрінеді, оның градиенті, тізбек бойымен алынған, өрісті тудырады.