Введение

Производство напряжения переменным магнитным полем. Электромагнитная или магнитная индукция – это возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в электрическом проводнике при изменении магнитного поля. Майклу Фарадею обычно приписывают открытие индукции в 1831 году, а Джеймс Клерк Максвелл математически описал её как закон электромагнитной индукции Фарадея. Закон Ленца описывает направление индуцированного тока. Закон Фарадея впоследствии был обобщён и стал уравнением Максвелла — Фарадея, одним из четырёх уравнений Максвелла в его теории электромагнетизма. Электромагнитная индукция нашла широкое применение, включая электрические компоненты, такие как индуктивности и трансформаторы, а также устройства, такие как электродвигатели и генераторы.

История

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем и опубликована в 1831 году. Независимо от него её открыл Джозеф Генри в 1832 году. В своей первой экспериментальной демонстрации (29 августа 1831 года) Фарадей обмотал два провода вокруг противоположных сторон железного кольца или "тора" (конструкция, аналогичная современному тороидальному трансформатору). Исходя из своего понимания электромагнитов, он предполагал, что при возникновении тока в одном проводе по кольцу пройдет своего рода волна и вызовет некоторый электрический эффект на противоположной стороне. Он подключил один провод к гальванометру и наблюдал за ним, подключая другой провод к батарее. Он увидел кратковременный ток, который назвал "волной электричества", при подключении провода к батарее, и ещё один – при отключении. Эта индукция была вызвана изменением магнитного потока, происходившим при подключении и отключении батареи. Фарадей объяснил электромагнитную индукцию, используя концепцию, которую он назвал силовыми линиями. Однако ученые того времени в основном отвергали его теоретические идеи, главным образом из-за отсутствия математической формулировки. Исключением был Джеймс Клерк Максвелл, который использовал идеи Фарадея в качестве основы своей количественной электромагнитной теории. В модели Максвелла изменяющийся во времени аспект электромагнитной индукции выражается дифференциальным уравнением, которое Оливер Хевисайд назвал законом Фарадея, хотя оно немного отличается от первоначальной формулировки Фарадея и не описывает ЭДС, возникающую при движении. Версия Хевисайда (см. уравнение Максвелла — Фарадея ниже) является той формой, которая признается сегодня в группе уравнений, известных как уравнения Максвелла. В 1834 году Генрих Ленц сформулировал закон, названный в его честь, для описания "потока через цепь". Закон Ленца определяет направление индуцированной ЭДС и тока, возникающих в результате электромагнитной индукции.

Закон Фарадея и теория относительности

Закон Фарадея описывает два различных явления: электродвижущую силу, возникающую под действием магнитной силы на движущийся провод (см. Сила Лоренца), и трансформаторную электродвижущую силу, возникающую под действием электрической силы из-за изменяющегося магнитного поля (в соответствии с дифференциальной формой уравнения Максвелла — Фарадея). Джеймс Клерк Максвелл обратил внимание на эти отдельные физические явления в 1861 году. Считается, что это уникальный пример в физике, когда один и тот же фундаментальный закон используется для объяснения двух столь различных явлений. Альберт Эйнштейн заметил, что обе ситуации соответствуют относительному движению между проводником и магнитом, и результат не зависит от того, какой из них находится в движении. Это был один из ключевых путей, приведших его к созданию специальной теории относительности.

Электрогенератор

ЭДС, генерируемая законом Фарадея об электромагнитной индукции из-за относительного движения контура и магнитного поля, является явлением, лежащим в основе электрических генераторов. Когда постоянный магнит перемещается относительно проводника, или наоборот, создается электродвижущая сила. Если проводник подключен к электрической нагрузке, потечет ток, и таким образом генерируется электрическая энергия, преобразуя механическую энергию движения в электрическую. Например, барабанный генератор основан на схеме в правом нижнем углу. Другой вариант реализации этой идеи – диск Фарадея, показанный в упрощенном виде справа. В примере с диском Фарадея диск вращается в однородном магнитном поле, перпендикулярном плоскости диска, что вызывает протекание тока в радиальном плече под действием силы Лоренца. Для поддержания этого тока необходима механическая работа. Когда генерируемый ток протекает через проводящий обод, этот ток создает магнитное поле в соответствии с законом Ампера (обозначено как «индуцированное В» на рисунке). Таким образом, обод становится электромагнитом, который сопротивляется вращению диска (пример закона Ленца). На дальней стороне рисунка обратный ток течет от вращающегося плеча через дальнюю сторону обода к нижнему контакту. Магнитное поле B, индуцированное этим обратным током, противодействует приложенному полю B, стремясь уменьшить магнитный поток через эту сторону контура, препятствуя увеличению потока из-за вращения. На ближней стороне рисунка обратный ток течет от вращающегося плеча через ближнюю сторону обода к нижнему контакту. Индуцированное поле B увеличивает поток с этой стороны контура, препятствуя уменьшению потока из-за вращения. Энергия, необходимая для поддержания движения диска, несмотря на эту противодействующую силу, точно равна генерируемой электрической энергии (плюс энергия, затраченная на трение, нагрев Джоуля и другие потери). Такое поведение характерно для всех генераторов, преобразующих механическую энергию в электрическую.

Электрический трансформатор

Когда электрический ток в контуре провода изменяется, этот изменяющийся ток создает изменяющееся магнитное поле. Второй провод, находящийся в зоне действия этого магнитного поля, будет воспринимать изменение магнитного поля как изменение магнитного потока, сцепленного с ним. Следовательно, во втором контуре возникает электродвижущая сила, называемая индуцированной ЭДС или ЭДС трансформатора. Если два конца этого контура соединены электрической нагрузкой, потечет ток.

Токовой зажим

Токовый зажим — это тип трансформатора с разъемным сердечником, который можно развести и закрепить на проводе или катушке для измерения протекающего в нем тока или, наоборот, для индуцирования напряжения. В отличие от традиционных приборов, зажим не требует электрического контакта с проводником и не нуждается в его отключении при установке.

Магнитный счетчик потока

Закон Фарадея используется для измерения расхода электропроводящих жидкостей и суспензий. Такие приборы называются магнитными расходомерами. Напряжение ε, индуцированное в магнитном поле B движущейся со скоростью v проводящей жидкостью, определяется следующим образом:

где ℓ – расстояние между электродами в магнитном расходомере.

Вихревые течения

Электрические проводники, движущиеся в постоянном магнитном поле, или неподвижные проводники в изменяющемся магнитном поле, испытывают индуцированные в них круговые токи, называемые вихревыми токами. Вихревые токи текут в замкнутых контурах в плоскостях, перпендикулярных магнитному полю. Они находят полезное применение в вихревых тормозах и системах индукционного нагрева. Однако вихревые токи, возникающие в металлических магнитных сердечниках трансформаторов, двигателей и генераторов переменного тока, нежелательны, поскольку рассеивают энергию (называемую потерями в сердечнике) в виде тепла из-за сопротивления металла. Для уменьшения вихревых токов в сердечниках этих устройств применяются различные методы: Сердечники низкочастотных электромагнитов и трансформаторов, вместо цельного металла, часто изготавливаются из стопок металлических листов, называемых ламинациями, разделенных изолирующими покрытиями. Эти тонкие пластины снижают нежелательные паразитные вихревые токи, как описано ниже. Индукторы и трансформаторы, работающие на более высоких частотах, часто имеют магнитные сердечники, изготовленные из немагнитных материалов, таких как феррит или железный порошок, скрепленных смолой.

Ламинированные электромагниты

Вихревые токи возникают, когда твердая металлическая масса вращается в магнитном поле, поскольку внешняя часть металла пересекает больше магнитных силовых линий, чем внутренняя; следовательно, индуцированная электродвижущая сила неоднородна, что приводит к возникновению электрических токов между точками с наибольшим и наименьшим потенциалом. Вихревые токи потребляют значительное количество энергии и часто вызывают нежелательный нагрев. В этом примере показано всего пять пластин или ламинаций, чтобы продемонстрировать разделение вихревых токов. На практике количество ламинаций или штамповок варьируется от 40 до 66 на дюйм (16–26 на сантиметр), что снижает потери от вихревых токов примерно до одного процента. Хотя пластины можно разделять изоляцией, напряжение настолько мало, что естественного ржавчины или оксидной пленки на пластинах достаточно для предотвращения протекания тока между ламинациями. Это ротор диаметром около 20 мм от двигателя постоянного тока, используемого в CD-плеере. Обратите внимание на ламинацию полюсных наконечников электромагнита, предназначенную для ограничения паразитных индуктивных потерь.

Паразитарная индукция в проводниках

На этом рисунке твёрдый медный проводник на вращающемся роторе проходит под наконечником полюса N магнитного поля. Обратите внимание на неравномерное распределение линий магнитного поля по медной шине. Магнитное поле более сконцентрировано и, следовательно, сильнее на левом крае медной шины (a, b), в то время как на правом крае (c, d) поле слабее. Поскольку оба края шины движутся с одинаковой скоростью, эта разница в напряжённости поля по всей шине создаёт вихри или токи Фуко внутри медного проводника. Силовые устройства высокой частоты, такие как электродвигатели, генераторы и трансформаторы, используют множество небольших проводников, соединённых параллельно, чтобы прервать потоки вихревых токов, которые могут формироваться внутри крупных массивных проводников. Тот же принцип применяется к трансформаторам, работающим на частотах выше сетевой, например, в импульсных источниках питания и промежуточных частотных трансформаторах радиоприёмников.