Вихревое электрическое поле

В соответствии с законом Фарадея для электромагнитной индукции в контуре, который движется в магнитном поле, возникает ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока в этом контуре

ε . (67)

Опытами Фарадея также установлено, что ЭДС электромагнитной индукции, определяемая выражением (67), возникает и тогда, когда неподвижный контур пронизывает изменяющееся магнитное поле (рисунок 48).

Если в движущемся контуре причиной возникновения ЭДС является сила Лоренца, томеханизм ее возникновения в неподвижном контуре (проводнике) становится неясным. Очевидно, сторонняя сила, разделяющая заряды в контуре, не может иметь электростатическое происхождение, поскольку кулоновские силы приводят не к возрастанию разности потенциалов, к ее выравниванию.

Рисунок 48

По общему определению ЭДС источника ε , (68)

где - напряженность поля сторонних сил.

С другой стороны . (69)

Символ частной производной в выражении (69) указывает на то, что в общем случае индукция магнитного поля зависит не только от времени, но и от координат.

С учетом формул (69) и (68) закон Фарадея для электромагнитной индукции преобразуется к виду . (70)

В соответствии с полученным выражением (70), любое изменение магнитного поля, пронизывающего контур, приводит к появлению напряженности поля сторонних сил и. как следствие, к возникновению в контуре ЭДС электромагнитной индукции. При этом изменение магнитного поля не сопровождается механическими, химическими, тепловыми и другими изменениями в контуре. Английский физик Дж. Максвелл предложил гипотезу, согласно которой сторонние силы, разделяющие заряды в контуре, имеют электрическую природу. Тогда и соотношение (70) можно записать в виде . (71)

Согласно формуле (71), в изменяющемся магнитном поле циркуляция вектора напряженности электрического поля не равна нулю, то есть электрическое поле является вихревым (рисунок 49).

Важно отметить, что вихревое электрическое поле возникает в любом пространстве, то есть для его существования наличие проводящего контура необязательно. Но если это поле возникло в проводящей среде, то оно приводит к появлению вихревых токов или токов Фуко (рисунок 50).

В проводниках, обладающих малым удельным сопротивлением, эти токи могут достигать больших величин. В связи с этим их часто используют для индукционного нагрева металлических деталей при закаливании, обезгаживают арматуры электронных приборов и т.д.

Рисунок 49 Рисунок 50

При работе электрических машин (электродвигателей, электрогенераторов, трансформаторов) эти токи приводят к нежелательным тепловым потерям в металлических магнитопроводах. Для уменьшения потерь сердечники трансформаторов, статоры и роторы электрических машин набирают из тонких, изолированных друг от друга пластин из электротехнической стали. В других случаях в качестве магнитопроводов применяют высокоомные магнитные материалы – ферриты.