Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
г
и
270
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
[ГЛ. III
лется с частотой, вдвое превосходящей частоту колебаний городского тока. Действительно, пусть в некоторый момент оба тока достигли максимума и текут в противоположных направлениях. Тогда будет максимальна и сила отталкивания. Через половину периода городской и индукционный токи изменят направления на противоположные, и сила отталкивания достигнет прежнего максимального значения. Если замкнуть ток в катушке, то сила отталкивания подбросит алюминиевое кольцо до потолка большой
аудитории. Если кольцо удерживать щипцами в неподвижном положении, то оно сильно нагревается: сопротивление кольца ничтожно, а потому индукционные токи в нем очень велики. Опыт с нагреванием можно произвести, взяв вместо алюминиевого тонкое медное кольцо. Из-за большой плотности меди и большого сопротивления кольца оно не подбрасывается вверх, а только сильно разогревается.
3. В массивных проводниках, движущихся в магнитных полях или помещенных в переменные магнитные поля, возбуждаются вихревые индукционные токи, называемые токами Фуко. По физической природе они ничем не отличаются от индукционных токов, возбуждаемых в линейных проводах. С помощью токов Фуко очень эффектно демонстрируется правило Ленца. Возьмем маятник, изготовленный из толстой листовой меди и имеющий форму усеченного сектора (рис. 173). Маятник подвешен на стержне и может свободно колебаться вокруг горизонтальной оси между полюсами сильного электромагнита, создающего магнитное поле ~ 5000 Гс. Пока не включено магнитное поле, маятник колеблется почти без затухания. Замыкая ток в обмотке электромагнита, мы создаем магнитное поле. Тогда при колебаниях маятника возбуждаются индукционные токи Фуко, согласно правилу Денца тормозящие движение маятника; колебания последнего моментально прекращаются. Если сплошной сектор маятника заменить гребенкой с длинными зубцами (рис. 173, справа), то возбуждение токов Фуко будет сильно затруднено. Маятник будет колебаться в маг^ нитном поле почти без затухания. Этот опыт объясняет, почему
§ 66] ТРАКТОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ МАКСВЕЛЛОМ 271
сердечники электромагнитов и рамы трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а из многих листов, наложенных друг на друга. В результате токи Фуко возбуждаются слабо и сильно уменьшается вредное влияние джоулева тепла, выделяемого ими.
Возьмем медный или алюминиевый диск диаметром 4—5 см и толщиной 4—6 мм. Заставим его падать в узком зазоре между полюсами электромагнита. Пока магнитное поле не включено, диск движется вниз быстро, как при свободном падении. Включим магнитное поле ~ 5000 Гс. Тогда падение становится очень медленным и напоминает движение в сильно вязкой среде.
Если над магнитной стрелкой поместить горизонтальный медный диск и привести его во вращение вокруг вертикальной оси, то магнитная стрелка придет во вращение в том же направлении. Дело в том, что при относительном движении стрелки и медного диска в диске возбуждаются токи Фуко, которые, согласно правилу Ленца, замедляют это относительное движение. В результате стрелка начинает вращаться вместе с диском.
§ 66. Максвелловская трактовка явления электромагнитной индукции
1. Когда проводник движется в постоянном магнитном поле, индукционный ток вызывается магнитной составляющей силы
Лорентца ~ \vB\. Какая же сила возбуждает индукционный ток
в неподвижном проводнйке, находящемся в переменном магнитном поле? Ответ был дан Максвеллом. Согласно Максвеллу, всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Последнее и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции.
Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности Е этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением
§(Eds) = -і f, (66.1)
S
где Ф — магнитный поток, пронизывающий контур s. Мы использовали для обозначения скорости изменения магнитного потока знак частной, а не полной производной. Этим мы хотим подчеркнуть, что контур s должен быть неподвижным.
Между максвелловым м фарадеевым пониманием явления электромагнитной индукции имеется существенное различие. Согласно Фарадею, электромагнитная индукция состоит в возбуждении
272
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
[ГЛ. III
электрического тока. Для ее наблюдения необходимо наличие замкнутого проводника. Максвелл, напротив, видит сущность электромагнитной индукции прежде всего в возбуждении электрического поля, а не тока. Электромагнитная индукция может наблюдаться и тогда, когда в пространстве вообще нет никаких проводников. Появление индукционного тока в замкнутом проводнике при внесении последнего в переменное магнитное поле есть лишь одно из проявлений электрического поля Е, возникшего в результате изменения поля магнитного. Но поле Е может производить и другие действия, например поляризовать диэлектрик, вызвать пробой конденсатора, ускорять и тормозить заряженные частицы и т. п. Оно может вызвать электрический ток и в незамкнутом проводнике, как показывает, например, следующий опыт.
