§ 6. Електромагнітна індукція
6.1. Явище електромагнітної індукції. Досліди Фарадея
В основі електродинаміки змінних полів лежить фундаментальний закон електромагнітної індукції, відкритий дослідно у 1831 р. видатним англійським вченим М. Фарадеєм. Спрощено суть цього закону полягає у виникненні струму в довільному замкненому провідному контурі при зміні магнітного потоку, що пронизує цей контур.
X. Ерстед у 1820 р. відкрив, що навколо провідників зі струмом виникає магнітне поле. Пізніше, у цьому ж році, А. Ампер встановив, що на провідники зі струмом у магнітному полі діє пондеромоторна сила. Результати цих досліджень стали основою припущення, що й електричне поле можна одержати за рахунок магнітного.
Рис. 6.1 Рис.6.2
Для перевірки цієї гіпотези були проведені різноманітні експерименти. Один із них полягав у спробі виявити струм у замкненому провіднику, розміщеному біля іншого провідника, по якому проходив постійний електричний струм. Ці дослідження при всій старанності їх проведення дали негативний результат. Лише М. Фарадей у 1831 р. звернув увагу на те, що електричні ефекти виникають тільки під час зміни магнітного поля. Якщо в одному провіднику змінювати електричний струм, то в сусідньому також виникає струм. Аналогічний результат одержують тоді, коли біля замкненого провідника переміщають магніт. Електричний струм в обох випадках наводиться (індукується) змінним магнітним полем. Такий струм називають індукційним, а явище виникнення струму в замкненому провіднику під дією змінного магнітного поля — явищем електромагнітної індукції.
Розглянемо кілька дослідів, які зумовили відкриття явища електромагнітної індукції і дали можливість всебічно вивчити його особливості. Розмістимо провідник АВ завдовжки l у полі постійного магніту і до його кінців А і В приєднаємо чутливий гальванометр (рис. 6.1). Якщо провідник і магніт перебувають у відносному спокої, то стрілка гальванометра не відхилятиметься, вказуючи, що струму в замкненому провідному контурі немає. Як тільки провідник АВ у полі постійного магніту починають переміщати, то в колі з'являється індукційний струм і стрілка гальванометра відхилятиметься. При цьому напрям відхилення стрілки гальванометра, а отже, і напрям струму залежать від напряму переміщення провідника АВ у магнітному полі. Яка причина виникнення індукційного струму? У провіднику АВ є позитивні іони кристалічної ґратки і вільні електрони. Під час руху провідника в магнітному полі зі швидкістю 
разом з ним переміщаються і заряди. На ці заряди вздовж провідника l діє сила Лоренца 
. Позитивні заряди зв'язані з кристалічною граткою і переміщатися не можуть, а вільні електрони, при вказаному на рис. 7.1 напрямі швидкості, будуть зміщатися до кінця провідника В і заряджатимуть його негативно. При цьому кінець провідника А збіднюється електронами і заряджається позитивно. Сила Лоренца 
в цьому досліді відіграє роль сторонньої сили. Всередині провідника АВ виникає електричне поле, напруженість якого обчислюють з умови рівності сил, що діють на кожний електрон у стані динамічної рівноваги 
. Звідси
. (6.1)
На кінцях провідника АВ створюється різниця потенціалів, яка є причиною виникнення струму в замкненому провідному контурі, що замикає кінці провідника АВ. Отже, у розглянутому прикладі механізм виникнення індукційного електричного струму в замкненому провідному контурі пояснюється на основі дії сили Лоренца на рухомі в магнітному полі електричні заряди.
Припустимо, що в цьому ж досліді провідник залишають нерухомим, а переміщають у протилежному до v напрямі постійний магніт. При цьому в системі координат, зв'язаній із провідником АВ, заряди провідника не рухаються і на них у магнітному полі сила Лоренца не діє. Однак струм у замкненому провідному контурі виникає, що фіксують по відхиленню стрілки гальванометра. Отже, рух магніту під провідником спричиняє той самий ефект, що й рух провідника над магнітом, але фізична причина ефекту інша. Це явище відкрив М. Фарадей. Розглянемо ще один дослід, в якому магнітне поле постійного магніту замінили магнітним полем котушки L зі струмом (рис.6.2). Характер магнітного поля в обох дослідах є однаковим. Однак у цьому разі магнітне поле можна змінювати, регулюючи струм реостатом R, а також можна створювати або зводити до нуля магнітне поле за допомогою вимикача S. Рухаючи провідник АВ у магнітному полі котушки або котушку зі струмом відносно провідника АВ, одержимо ті самі результати, що й у попередньому досліді. Розмістимо провідник АВ і котушку L нерухомо і будемо вмикати або вимикати струм вимикачем. У момент вмикання або вимикання струму стрілка гальванометра відхилятиметься, вказуючи на виникнення в замкненому провідному контурі з гальванометром короткочасних імпульсів струму. Через деякий час після вмикання струму в котушці L стрілка гальванометра повертається в нульове положення, струм зникає. З цього можна зробити висновок, що індукційний струм у замкненому провідному контурі виникає лише в момент зміни магнітного поля, яке пронизує контур. У цьому можна переконатися, якщо змінювати струм у котушці L.
Отже, відкриття М. Фарадея полягало в тому, що індукційний струм у замкненому контурі може виникнути під час руху провідного контуру в полі магніту, під час руху магніту відносно замкненого провідного контуру і під час зміни струму в котушці, яка створює магнітне поле. Все це зводиться до одного загального правила: індукційний струм у замкненому провідному контурі виникає кожного разу при зміні магнітного потоку, який пронизує провідний контур. Щоб електричні заряди (електрони в провіднику) прийшли в напрямлений рух, на них має діяти електрична стороння сила, спричинена Eст, яка виникає там, де змінюється магнітне поле. Експериментальні спостереження М. Фарадея сприяли відкриттю нового з а к он у про зв'язок електричного і магнітного полів: у тих областях, де змінюється магнітне поле, виникає електричне поле. Саме це електричне поле спричиняє напрямлений рух електронів у провідному контурі, тобто зумовлює виникнення електрорушійної сили при всякій зміні магнітного потоку.
