Вихрове електричне поле: зародження і властивості

Крім потенційного кулонівського електричного, існує вихрове поле, в якому є замкнуті лінії напруженості. Знаючи загальні властивості електричного поля, легше зрозуміти природу вихрового. Воно породжується змінним магнітним полем. Що викликає індукційний струм провідника, що знаходиться в нерухомому стані? Що таке індукція електричного поля? Відповідь на ці питання, а також про відміну вихрового від електростатичного та стаціонарного, струмах Фуко, ферритах та інше ви дізнаєтесь з наступної статті.

Як змінюється магнітний потік

Магнітний потік Ф=BSos? може змінюватися через контур в двох варіантах: при нерухомому контурі в змінному полі і в стані руху в полі, нерухомому або змінюється. Електрорушійна індукційна сила в обох випадках буде підпорядковуватися одному закону, але буде відбуватися по-різному.

Виникнення індукційного струму і сили, рушійні заряд

Спочатку потрібно зрозуміти, як виникає індукційний струм. Для цього круглий виток з дроту кладуть в однорідне магнітне тіло. Якщо індукція в ньому буде збільшуватися, то за нею послідує і магнітний потік через поверхню. Слідом за цим виникне струм. Якщо індукція магнітного поля стане змінюватися відповідно лінійним законом, струм залишиться постійним. Питання в тому, що за сили починають рухати заряди у витку. Магнітне поле в котушці на це не здатна, тому що вона робить вплив тільки на рухомі заряди. Але ж провідник у ньому залишається нерухомим! На заряди надає дію електричне поле. Але стаціонарне і електростатичне утворюються зарядами, а індукційний струм — слідом за мінливому магнітним полем! Логічно було б припустити, що електрони починає рухати електричне поле, порождаясь в результаті змінюється магнітного поля. Так, фізик Масквелл прийшов до висновку, що магнітне поле з часом зароджує електричне.

Електромагнітна індукція

Тоді електромагнітна індукція показується з нової сторони, де головною властивістю постає породження електричного поля магнітним. Провідний контур тут нічого не змінює. Провідник з вільними електронами стає приладом, дозволяючи виявити з'являється електричне поле, завдяки тому, що воно рухається в провіднику. Електромагнітна індукція провідника, що знаходиться в нерухомому стані, полягає не тільки у виникненні індукційного струму, але і електричного поля, початківця рух електричних зарядів. Вихрове електричне поле, що з'явився слідом за магнітним, зовсім іншого роду, ніж електростатичне. Воно не має прямого зв'язку з зарядами, і напруженості на його лініях не починаються і не закінчуються. Це замкнуті лінії, як у магнітного поля. Тому воно і називається вихрове електричне поле.

Магнітна індукція

Магнітна індукція буде змінюватися тим швидше, чим більше напруженість. Правило Ленца говорить: при збільшенні магнітної індукції напрям вектора напруженості електрополя створює лівий гвинт з напрямком іншого вектора. Тобто при обертанні лівого гвинта за напрямом з лініями напруженості його поступальний переміщення стане таким же, як і в вектора магнітної індукції.
Якщо ж магнітна індукція буде спадати, то напрям вектора напруженості створить правий гвинт з напрямком іншого вектора. Силові лінії напруженості мають той же напрям, що і індукційний струм. Вихрове електричне поле діє на заряд з тією ж силою, що і до нього. Проте в даному випадку його робота по переміщенню заряду є відмінною від нуля, як в стаціонарному електричному полі. Так як сила і переміщення мають один напрямок, то і робота на всьому протязі шляху по замкнутій лінії напруженості буде колишньою. Робота одиничного позитивного заряду тут буде дорівнює електрорушійної сили індукції у провіднику.

Струми індукції в масивних провідниках

В масивних провідниках індукційні струми отримують максимальні значення. Це відбувається тому, що вони мають малий опір. Називаються такі струми струмами Фуко (це французький фізик, який досліджував їх). Їх можна застосовувати для зміни температури провідників. Саме цей принцип покладено в індукційних печах, наприклад, побутових СВЧ. Він застосовується для плавлення металів. Електромагнітна індукція використовується і в металевих детекторах, розташованих в аеровокзалах, театрах та інших громадських місцях зі скупченням великої кількості людей. Але струми Фуко приводять до втрат енергії для отримання тепла. Тому сердечники трансформаторів, електричних двигунів, генераторів і інших пристроїв із заліза виготовляють не суцільними, а з різних пластин, які один від одного ізольовані. Пластини повинні знаходитися строго в перпендикулярному положенні відносно вектора напруженості, який має вихровий електричне поле. Пластини тоді будуть мати максимальний опір току, а тепла буде виділятися мінімальна кількість.

Ферити

Радіоапаратура функціонує на найвищих частотах, де кількість сягає мільйонів коливань за секунду. Котушки сердечників тут не будуть ефективні, так як струми Фуко з'являться в кожній пластині.
Існують ізолятори магнітів під назвою ферити. Вихрові струми в них не з'являться при перемагнічуванні. Тому втрати енергії для тепла зводяться до мінімальних. З них виготовляють сердечники, що використовуються для високочастотних трансформаторів, транзисторні антени і так далі. Їх отримують з суміші початкових речовин, яку пресують і обробляють термічним шляхом. Якщо магнітне поле в феромагнетику швидко змінюється, це веде до появи індукційних струмів. Їх магнітне поле буде перешкоджати зміні магнітного потоку в сердечнику. Тому потік не буде мінятися, а сердечник — перемагничиваться. Вихрові струми в ферритах так малі, що можуть швидко перемагничиваться.