Превратить работу в тепло можно. Можно и теплоту превратить в работу. Эти процессы обратны и допустимы в природе.

Для магнитных явлений мы знаем что если по проводнику течет электрический ток то вокруг него существует магнитное поле.

То есть ток порождает магнитное поле. Может ли быть обратный процесс в природе? Может ли магнитное поле быть использовано для создания электрического тока?

В 19 веке этим занимался Ампер и Фарадей (Англия). Именно Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции.

29 августа 1831 года.

Опыт Фарадея:

Три его варианта:

Электромагнитной индукцией называют явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре (катушке) при изменении магнитного поля в этом контуре.

(нестрогое определение)

для того чтобы возник ток должно появиться непростое, а вихревое электрическое поле, которое совершает работу по перемещению зарядов в проводнике катушки (отклоняет стрелку гальванометра) то есть возникает напряжение.

Возникающий индукционный ток взаимодействует с током, вызвавшим его, или с магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся в проводнике индукционный ток будет обязательно отталкивать магнит. Поэтому для сближения магнита с проводником (катушкой) необходимо совершить работу. Индукционный ток в этом случае направлен таким образом, что его магнитное поле противоположно полю, вызвавшему этот ток (рис. 301).

Рис. 301

Катушка при этом будет подобна магниту, обращенному одноименным полюсом к движущемуся магниту. Одноименные полюсы отталкиваются.
Представьте себе, что дело обстояло бы иначе. Вы подтолкнули слегка магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь ее. При этом нарушался бы закон сохранения энергии. Ведь кинетическая энергия магнита увеличивалась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток выделяет тепло.
При удалении магнита, наоборот, закон сохранения энергии требует, чтобы появилась сила притяжения.
Индукционный ток в данном случае направлен так, что его магнитное поле совпадает по направлению с полем, изменение которого создало данный ток (рис. 302).

Рис. 302

Это правило, установленное русским ученым Ленцем, дает возможность определить направление индукционного тока в любом случае. Согласно правилу Ленца

или (по П.Виктору)

Это означает, что если магнитный поток Ф нарастает, то поле индукционного тока стремится его ослабить и направлено против первичного поля (рис. 301). Наоборот, когда поток уменьшается, поле индукционного тока поддерживает поток Ф. т. е. направлено по первичному полю (рис. 302).

Рис. 303

Правило Ленца легко продемонстрировать на опыте с прибором, показанным на рисунке 303. На концах стержня, свободно вращающегося вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих кольца. Одно из них с разрезом. Если поднести магнит к кольцу без разреза, то в нем возникнет индукционный ток и направлен он будет так, что кольцо оттолкнется от магнита и стержень повернется. Если удалять магнит от кольца, то оно, наоборот, будет притягиваться к магниту. С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока.

Закон электромагнитной индукции
Сформулируем закон электромагнитной индукции количественно. Опыты показывают, что индукционный ток I, в проводящем контуре пропорционален скорости изменения числа линий магнитной индукции В, пронизывающих площадь, ограниченную этим контуром. После введения понятия потока магнитной индукции Ф, мы может уточнить это утверждение: индукционный ток в контуре пропорционален скорости изменения потока магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром. Если за очень малое время At поток магнитной индукции меняется на величину ΔФ, то скорость изменения Ф равна отношению — ΔФ/Δt.

Следовательно можно утверждать, что

I ~ ΔФ/Δt

Этот ток зависит и от сопротивление самого проводника.

Для того чтобы закон электромагнитной индукции не содержал зависимости от свойств проводника, нужно формулировать его не для индукционного тока. Мы знаем, что в -цепи появляется электрический ток в том случае, когда в ней действует электродвижущая сила. Следовательно, при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром, в нем появляется э.д.с. Эта э.д.с. получи ла название э.д.с. индукции.

Будем обозначать ее через ℰ_i. Зная ток I_i и сопротивление контура, можно с помощью закона Ома найти ℰ_i.

Опыты показывают, что токи в различных проводниках при одной и той же скорости изменения потока магнитной индукции различны по величине только вследствие неодинаковых сопротивлений проводников. Это позволяет следующим образом сформулировать закон электромагнитной индукции.
Э.д.с. индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости изменения потока магнитной индукции через площадь, ограниченную контуром:

|ℰ_i  |  = | ΔФ/Δt |

Посмотрим теперь, как в законе электромагнитной индукции учесть направление индукционного тока (или знак э.д.с. индукции) в соответствии с правилом Ленца.
На рисунке 304 изображен круговой контур.

Рис 304. 

Условимся считать ток в контуре (а значит, и э.д.с.) положительным, если направление В' магнитного поля индукционного тока внутри контура совпадает с направлением В поля, изменение которого порождает ток индукции. По правилу Ленца такое совпадение направлений магнитных полей В' и В будет в том случае, если магнитный поток Ф, изменение которого порождает индукционный ток, уменьшается, т. е. если ΔФ <0 и ΔФ/Δt <0. Чтобы э.д.с. индукции была при этом, как мы условились, положительной, в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус:

ℰ_i    =  ΔФ/Δt

Единицы магнитной индукции и потока магнитной индукции

В системе единиц СИ закон электромагнитной индукции используют для установления единицы потока магнитной индукции.
Эту единицу называют вебером.
Так как э.д.с. индукции ℰ_i  измеряют в вольтах, а время в секундах, то согласно

ℰ_i    =  ΔФ/Δt

вебер можно определить следующим образом: поток магнитной индукции через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен одному веберу, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 сек в контуре возникает э.д.с. индукции 1 В:

1 В6 = 1 В 1 сек.

Единицу магнитной индукции устанавливают на основе соотношения ℰ_i  = ΔФ/Δt. Если вектор В перпендикулярен поверхности S, то

Ф = BS.

Отсюда магнитная индукция равна единице, если она создает через площадь 1 кв.м поток индукции 1 вб. Эту единицу магнитной индукции, называют тесла (тл):

1 Тл=1 Вб/1кв.м

Вихревое электрическое поле

Э.д.с. индукции возникает либо в неподвижном проводнике, помещенном в изменяющемся во времени поле, либо в проводнике, движущемся в магнитном поле, которое может не меняться со временем. Величина э.д.с. в обоих случаях определяется законом ℰ_i  = ΔФ/Δt., но происхождение э.д.с. различно.

Сначала остановимся на первом случае.
Допустим, перед нами стоит обыкновенный трансформатор.
Включив первичную обмотку в сеть, мы получим ток во вторичной обмотке (рис. 305), если она замкнута.

Рис. 305

Электроны в проводах вторичной обмотки придут в движение. Но какие силы заставляют их двигаться? Само магнитное поле, пронизывающее катушку, этого сделать не может, так как магнитное поле действует исключительно на движущиеся заряды (этим-то оно и отличается от электрического), а проводник с находящимися в нем электронами неподвижен (В действительности дело обстоит не так просто. И в неподвижном проводнике электроны совершают беспорядочное тепловое движение. Но средняя скорость такого движения равна пулю. Соответственно и ток, вызванный непосредственно магнитным полем, также должен быть равным нулю.).

Кроме магнитного поля, на заряды действует еще поле электрическое. Причем оно-то может действовать и на неподвижные заряды. Но ведь го поле, о котором у нас пока шла речь (электростатическое поле), создается неподвижными зарядами, а индукционный ток появляется под действием переменного магнитного поля. Это заставляет предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем и это поле непосредственно порождается переменным магнитным полем. Тем самым утверждается новое фундаментальное свойство магнитного поля: изменяясь во времени, оно порождает электрическое поле. К этому выводу впервые пришел Максвелл.

Теперь явление электромагнитной индукции предстает перед нами в новом свете. Главное в нем — это процесс рождения магнитным полем поля электрического. Есть ли проводящий контур (катушка) или его нет, это не меняет существа дела. Проводник с запасом свободных электронов (или других частиц) лишь помогает обнаружить возникающее электрическое поле. Поле приводит в движение электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Сущность явления электромагнитной индукции для данного случая не столько в появлении индукционного тока, сколько в возникновении электрического поля.
Возникающее при изменении магнитного поля электрическое поле имеет совсем другую структуру, чем электростатическое.
Оно не связано непосредственно с электрическими зарядами, и его силовые линии не могут на них начинаться и кончаться. Они вообще нигде не начинаются и не кончаются, а представляют собой замкнутые линии, подобные линиям индукции магнитного поля. Это так называемое вихревое электрическое поле (рис. 306).

Рис. 306

В отличие от электростатического поля работа вихревого поля на замкнутом пути не равна нулю. Работа по перемещению единичного положительного заряда на замкнутом пути и представляет собой э.д.с. индукции в неподвижном проводнике.

При быстром изменении магнитного поля сильного электромагнита появляются мощные вихри электрического поля, которые можно использовать для ускорения электронов до скоростей, близких к скорости света. На этом принципе основано устройство ускорителя электронов — бетатрона. Электрический ток в бетатроне возникает непосредственно в кольцевой вакуумной камере.