Электомагниттік индукция. Фарадей заңы

Электр тогы өзінің айналасында магнит өрісін тудырады. Осыған кері құбылысты, яғни магнит өрісінің көмегімен токты қоздыруды, ашу үшін жасалған сансыз көп әрекеттер 1831 ж. табысты аяқталды. Бұл маңызды мәселені шешкен ағылшын физигі М. Фарадей электромагниттік индукция құбылысын ашты. Оның мағынасын былай тұжырымдауға болады: тұйық өткізгіш контурмен шектелген бет арқылы өтетін магнит ағыны өзгергенде сол контурда индукциялық деп аталатын электр тогы пайда болады. Индукциялық токтың пайда болуы тізбекте электромагниттік индукцияның электр қозғаушы күші бар екендігін көрсетеді. Индукциялық ток күшінің мәні, демек, индукцияның э.қ.к.-ң мәні де тек магнит ағы-нының өзгеру жылдамдығымен ғана анықталады, яғни

~ ~ .

Фарадейдің электромагниттік индукция заңы: тұйық өткізгіш контурмен шектелген бет арқылы өтетін магнит ағынының өзгеру себебі қандай да болмасын, контурдағы пайда болатын э.қ.к. мына өрнектің көмегімен анықталады

.

Бұл өрнектегі минус таңбасы энергияның сақталу заңына негізделетін Ленц ережесінің салдары болып табылады.

Ленц ережесі: контурдағы индукциялық токтың бағыты әрдайым оның тудыратын магнит өрісі осы индукциялық токты қоздырған магнит ағынының өзгерісіне қарсы тұратындай жағдайда болады.

Тұрақты магнит өрісінде қозғалатын өткізгіштегі индукцияның э.қ.к.-ң қоздырылуына өткізгіштің қозғалысы кезінде пайда болатын Лоренц күші жауапты. Бірақ, ол күштің әсері арқылы айнымалы магнит өрісінде орналасқан қозғалмайтын контурдағы индукцияның э.қ.к.-ң пайда болуын түсіндіру мүмкін емес, себебі Лоренц күші тыныштық күйдегі зарядтарға әсер етпейді. Қозғалмайтын өткізгіштегі индукцияның э.қ.к.-н түсіндіру үшін Максвелл кез-келген айнымалы магнит өрісі қоршаған кеңістікте құйынды электр өрісін тудырады деген болжам жасады. Айтылған сол құйынды электр өрісі өткізгіштегі индукциялық токтың пайда болуына себепті, ал оның кернеулік векторының кез-келген тұйық контур бойындағы нөлге тең емес циркуляциясы электромагниттік индукцияның э.қ.к.-і болып табылады:

Электромагниттік индукция құбылысын механикалық энергияны электр тогының энергиясына түрлендіру үшін пайдаланады. Осы мақсатпен айнымалы ток генераторлары қолданылады. Егер біртекті магнит өрісінде рамка бұрыштық жылдамдықпен бірқалыпты айналатын болса, онда рамкамен шектелген бет арқылы өтетін магнит ағыны мына заң бойынша өзгереді

.

Айналу кезінде рамкада гармониялық заң бойынша өзгеретін индукцияның айнымалы э.қ.к.-і пайда болады:

,

мұндағы - э.қ.к.-і тербелісінің амплитудасы.

Фарадей кезкелген тұйықталған контурді қиып өтетін магнит ағынын өзгерткенде, осы контурде электр тогы пайда болатынын ашты. Бұл құбылысты электромагнитік индукция құбылысы деп атайды. Индукциняың электр қозғаушы күші контурды қиып өтетін магнитағынының өзгеріс жылдамдығына пропорционал болады. Индукцияланған ток Ф–магнит ағынын өзгерту тәсіліне емес, оның өзгеріс жылдамдығына ғана тәуелді болады екен. Индукцияланған токтың бағытын табу ережесін Ленц тағайындады. Ленц ережесі бойынша индукциялық ток әрқашан да өзін тудыратын себептерге қарама-қарсы әсер ететіндей болып бағытталады. Электромагниттік индукция заңы мынадай түрде жазылады:

бұл теңдіктегі “–“ таңбасы Ленц ережесін білдіреді. Егер контур бірнеше орамнан тұратын болса, бұл орамды қиып өтеттін толық магнит ағыны:

Ψ = ∑Φ_і

ағын тұтасуы деп аталады.Ағын тұтасуын пайдаланып электромагниттікиндукция заңын мынадай түрде жазуға болады:

Индукцияланған токтар тұтас шомбал (массивті) өткізгіштерде де қозуы мүмкін. Бұл кезде олар Фуко токтары немесе құйынды токтар деп аталады. Шомбал өткізгіштердің кедергісі аз боғандықтан бұлтоктардың мәні өте үлкен болады. Фуко токтары Ленц ережесіне бағынады –олар өткізгіш ішінде өздерін туғызған себепке мүмкіндігінше күштірек қарсы әсер ететіндей жол және бағыт таңдап алады. Гальванометрдің және басқа өлшегіш құралдардың қозғалғыш бөлігін тыныштандыру үшін құйынды токтарды пайдаланады. Фуко токтарының жылулық әсері индукциялық пештерде қолданылады. Трансформаторларда Фуко токтарының зиянды әсерін жою үшін Магнит өткізгішті ток өткізбейтін қабаттармен бөлінген жеке пластиналарды біріктіріп жасайды. Өн бойынан айнымалы ток өтетін сымдарда пайда болатын құйынды токтар сым ішіндегі токты әлсірететіндей және бетмаңындағы токты күшейтетіндей бағытталады. Осының нәтижесінде тез айнымалы ток сым қимасы бойынша біркелкі таралмаған болып шығады – олөткізгіш бетіне ығыстырылған сияқты боады. Бұл құбылыс скин –эффект немесе беттік эффект деп аталады.