Электромагнитная индукция

Изменение потока создаёт ЭДС

Ток возникает в замкнутом контуре, если магнит, контур или само поле изменяются так, что меняется проходящий через поверхность магнитный поток. Электромагнитная индукция — возникновение ЭДС в контуре при изменении магнитного потока через него. Для одного витка закон Фарадея записывается:

Для катушки из $N$ одинаковых витков ЭДС увеличивается в $N$ раз. Поток может меняться из-за величины $B$, площади контура или угла между полем и нормалью. Постоянное поле и неподвижный контур сами по себе индукционного тока не создают.

Северный полюс магнита приближается к катушке: ближний торец катушки становится северным. При удалении магнита ближний торец становится южным.

Правило Ленца

Минус в законе Фарадея выражает направление явления. Правило Ленца: индукционный ток направлен так, что созданное им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток. Он противодействует именно изменению: при растущем внешнем потоке поле тока направлено навстречу, при уменьшающемся — поддерживает прежнее направление.

Такое направление является следствием закона сохранения энергии. Если бы ток усиливал исходное изменение, энергия росла бы без внешней работы. При приближении магнита к замкнутому кольцу возникает сила, мешающая движению; механическая работа превращается в электрическую энергию и тепло.

ЭДС движения

Проводник длиной $l$, движущийся со скоростью $v$ перпендикулярно $\vec{B}$, испытывает разделение зарядов из-за силы Лоренца. Между концами возникает ЭДС:

Направление положительных зарядов находят по $q\vec{v}\times \vec{B}$. Если проводник замыкает цепь, появляется ток и сила Ампера против движения, поэтому поддержание постоянной скорости требует внешней работы. Электрогенератор использует тот же принцип во вращающейся рамке.

Самоиндукция

Изменение тока в катушке меняет её собственный магнитный поток и создаёт ЭДС самоиндукции:

Индуктивность $L$ измеряется в генри и зависит от геометрии катушки, числа витков, сердечника и среды. ЭДС мешает быстрому изменению тока: при включении ток нарастает не мгновенно, при выключении катушка стремится его поддержать и может создать высокое напряжение.

Энергия магнитного поля катушки равна $W=L{I}^2/2$. Она не исчезает при размыкании, а должна перейти в тепло, излучение или другой накопитель; поэтому индуктивные цепи снабжают защитой от перенапряжения.