Направление индукционного тока. Правило Ленца

В 1831 году английский ученый физик в своих опытах М.Фарадей открыл явление электромагнитной индукции . Затем изучением этого явления занимались русские ученый Э.Х. Ленц и Б.С.Якоби.

В настоящее время, в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции, например в двигателе или генераторе электрического тока тока, в трансформаторах, радиоприемниках, и многих других устройствах.

Электромагнитная индукция - это явление возникновения тока в замкнутом проводнике, при прохождении через него магнитного потока. То есть, благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую - и это замечательно. Ведь до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока , кроме гальваники.

Когда проводник оказывается под действием магнитного поля, в нем возникает ЭДС, которую количественно можно выразить через закон электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции

Электродвижущая сила, индуцируемая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока, сцепляющегося с этим контуром.

В катушке, которая имеет несколько витков, общая ЭДС зависит от количества витков n:

Но в общем случае, применяют формулу ЭДС с общим потокосцеплением:

ЭДС возбуждаемая в контуре, создает ток. Наиболее простым примером появления тока в проводнике является катушка, через которую проходит постоянный магнит . Направление индуцируемого тока можно определить с помощью правила Ленца .

Правило Ленца

Ток, индуцируемый при изменении магнитного поля проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению.

В том случае, когда мы вводим магнит в катушку, магнитный поток в контуре увеличивается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, по правилу Ленца, направлено против увеличения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно посмотреть на магнит со стороны северного полюса. С этой позиции мы будем вкручивать буравчик по направлению магнитного поля тока, то есть навстречу северному полюсу. Ток будет двигаться по направлению вращения буравчика, то есть по часовой стрелке.

В том случае, когда мы выводим магнит из катушки, магнитный поток в контуре уменьшается, а значит магнитное поле, создаваемое индуцируемым током, направлено против уменьшения поля магнита. Чтобы определить направление тока, нужно выкручивать буравчик, направление вращения буравчика укажет направление тока в проводнике – против часовой стрелки.

В предыдущем параграфе были рассмотрены опыты по получению индукционного тока и установлена причина его возникновения.

Как же направлен индукционный ток? Для ответа на этот вопрос воспользуемся прибором, изображённым на рисунке 123. Он представляет собой узкую алюминиевую пластинку с алюминиевыми кольцами на концах. Одно кольцо сплошное, другое имеет разрез. Пластинка с кольцами помещена на стойку и может свободно вращаться вокруг вертикальной оси.

Рис. 123. При приближении к сплошному кольцу любого полюса магнита кольцо отталкивается от него

Возьмём полосовой магнит и внесём его в кольцо с разрезом - кольцо останется на месте. Если же вносить магнит в сплошное кольцо, то оно будет отталкиваться, уходить от магнита, поворачивая при этом всю пластинку. Результат будет точно таким же, если магнит будет повёрнут к кольцам не северным полюсом (как показано на рисунке), а южным. Объясним наблюдаемые явления.

При приближении к кольцу любого полюса магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток увеличивается (рис. 124). При этом в сплошном кольце возникает индукционный ток, а в кольце с разрезом тока не будет.

Рис. 124. Возникновение индукционного тока в сплошном кольце при приближении к кольцу магнита

Ток в сплошном кольце создаёт в пространстве магнитное поле, благодаря чему кольцо приобретает свойства магнита. Взаимодействуя с приближающимся полосовым магнитом, кольцо отталкивается от него. Из этого следует, что кольцо и магнит обращены друг к другу одноимёнными полюсами, а векторы магнитной индукции (В к и В м) их полей направлены в противоположные стороны (рис. 125). Зная направление вектора индукции магнитного поля кольца, можно по правилу правой руки (см. рис. 97) определить направление индукционного тока в кольце. Отодвигаясь от приближающегося к нему магнита, кольцо противодействует увеличению проходящего сквозь него внешнего магнитного потока.

Рис. 125. Определение направления индукционного тока в кольце

Теперь посмотрим, что произойдёт при уменьшении внешнего магнитного потока сквозь кольцо. Для этого, удерживая кольцо рукой, внесём в него магнит. Затем, отпустив кольцо, начнём удалять магнит. В этом случае кольцо будет следовать за магнитом, притягиваться к нему (рис. 126). Значит, кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами, а векторы магнитной индукции их полей направлены в одну сторону (рис. 127). При одинаковом направлении В к и В м магнитное поле тока будет противодействовать уменьшению внешнего магнитного потока, проходящего сквозь кольцо.

Рис. 126. При удалении магнита от сплошного кольца оно, притягиваясь, следует за магнитом

Рис. 127. Направление индукционного тока в кольце меняется при изменении направления движения магнита относительно кольца

Мы видим, что для определения направления индукционного тока прежде всего необходимо узнать, как направлен вектор магнитной индукции созданного этим током магнитного поля (в центре кольца). На основании результатов рассмотренных опытов (в одном из них внешний магнитный поток увеличивался, а в другом - уменьшался) было сформулировано правило, которое в современной формулировке звучит так:

• возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток

Данное правило было установлено в 1834 г. российским учёным Эмилием Христиановичем Ленцем, в связи с чем называется правилом Ленца.

Вопросы

1. Для чего проводился опыт, изображённый на рисунках 123 и 126?
2. Почему кольцо с разрезом не реагирует на приближение магнита?
3. Объясните явления, происходящие при приближении магнита к сплошному кольцу (см. рис. 125); при удалении магнита (см. рис. 127).
4. Как определить направление индукционного тока в кольце?
5. Сформулируйте правило Ленца.

Упражнение 37

1. Как вы думаете, почему прибор, изображённый на рисунке 123, изготовлен из алюминия? Как проходил бы опыт, если бы прибор был железным; медным?
2. В данном ниже перечне логических операций, которые мы выполняли для определения направления индукционного тока, нарушена последовательность их проведения. Запишите в тетради буквы, обозначающие эти операции, расположив их в правильной последовательности.
   1. Определили направление индукционного тока в кольце (пользуясь правилом правой руки).
   2. Определили направление вектора индукции В к магнитного поля тока в кольце по отношению к направлению вектора магнитной индукции B м поля магнита, исходя из того, что кольцо отталкивается от магнита при его приближении (значит, они обращены друг к другу одноимёнными полюсами) и притягивается при удалении (значит, кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами).
   3. Определили направление вектора магнитной индукции В м поля магнита (по расположению его полюсов).

Электромагнитная индукция - это физическое явление, состоящее в возникновении в замкнутом контуре электрического тока при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром.

2. Изменение каких физических величин может привести к изменению магнитного потока?

К изменению магнитного потока может привести изменение с течением времени площади поверхности, которая ограничена контуром; модуля вектора магнитной индукции; угла, который образуют вектор индукции с вектором площади этой поверхности.

3. В каком случае направление индукционного тока считается положительным, а в каком - отрицательным?

Если выбранное направление обхода контура совпадает с направлением индукционного тока, то оно считается положительным. Если выбранное направление обхода контура противоположно направлению индукционного тока, то оно считается отрицательным.

4. Сформулируйте закон электромагнитной индукции. Запишите его математическое выражение.

ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре равна по модулю и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, которая ограничена этим контуром.

5. Сформулируйте правило Ленца. Приведите примеры его применения

Индукционный ток, возникающий в контуре, своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, вызвавшего этот ток. Например, при увеличении магнитного потока через контур магнитный поток индукционного тока будет отрицательным, а результирующий поток, равный их сумме, уменьшится. А при уменьшении магнитного потока через контур магнитный поток индукционного тока будет поддерживать результирующий поток, не давая ему резко убывать.

Правило или закон Ленца получил своё имя в честь физика немецкого происхождения, жившего и преподававшего в России, Эмилия Ленца. Его правило подчиняется третьему закону Ньютона (на каждое действие существует равное противодействие) и закону сохранения энергии (в замкнутой системе энергия не может ни возникать, ни исчезать, поэтому сумма всех энергий в ней остаётся постоянной величиной).

В основании правила Ленца лежит выведенный Фарадеем закон электромагнитной индукции. Необходимо вспомнить, что по нему воздействующее на катушку стороннее переменное магнитное поле, вызывает в ней ЭДС.

Перемещение постоянного магнита к катушке или удаление его от неё изменяет магнитный поток, пронизывающий контур катушки. Величина ЭДС, наведённой в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

В ситуациях а) и с), когда магнит приближают к катушке или удаляют от неё, в катушке начинают направленное движение электроны (индуцируется ток). В ситуации b) магнит неподвижен, следовательно, можно говорить, что магнитное поле постоянно и в катушке отсутствует ток.

Как узнать, куда направлен индуцированный ток?

Эмилий Ленц сформулировал простое правило (закон), которое объясняет направление индуцированного в катушке тока:

Индукционный ток протекает так, чтобы противодействовать своим магнитным полем изменяющемуся потоку внешнего магнитного поля, которым он вызван.

Объяснение правила Ленца

Для понимания закона Ленца, обратим внимание на две экспериментальных ситуации.

Магнит приближается к катушке

Северный полюс магнита стремятся приблизить к катушке. Магнитный поток, пронизывающий витки катушки, возрастает. Ток, появляющийся в катушке, создаёт вокруг неё магнитное поле. Оно по правилу Ленца выступает против увеличения магнитного потока через катушку. Такая ситуация возможна лишь тогда, когда ближайшая к магниту сторона катушки приобретает полярность северного полюса. Зная полярность, можно легко определить направление индукционного тока, применяя правило правой руки. Ток течёт в направлении против часовой стрелки.

Магнит удаляется от катушки

Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, пронизывающий катушку, уменьшается. В катушке возникает ток по закону Фарадея. Этот ток создаёт собственное магнитное поле. По правилу Ленца, это магнитное поле будет противодействовать уменьшению магнитного потока через катушку. Это возможно лишь в том случае, если на ближайшей к магниту стороне катушки существует южный магнитный полюс. Противоположные полюса притягиваются. Нам известна полярность катушки. Применим правило правой руки и определим направление тока в катушке. В этой ситуации он течёт по часовой стрелке.

Всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Эффектной демонстрацией правила Ленца является опыт Элиу Томсона .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Правило Ленца от bezbotvy

Урок 281. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Правило Ленца

Правило Ленца. Физика

Субтитры

Физическая суть правила

E i n d = − d Φ d t {\displaystyle {\mathcal {E}}^{ind}=-{\frac {d\Phi }{dt}}}

где знак «минус» означает, что ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению потока. Этот факт и отражён в правиле Ленца.

Правило Ленца носит обобщённый характер и справедливо в различных физических ситуациях, которые могут отличаться конкретным физическим механизмом возбуждения индукционного тока. Так, если изменение магнитного потока вызвано изменением площади контура (например, за счёт движения одной из сторон прямоугольного контура), то индукционный ток возбуждается силой Лоренца, действующей на электроны перемещаемого проводника в постоянном магнитном поле. Если же изменение магнитного потока связано с изменением величины внешнего магнитного поля, то индукционный ток возбуждается вихревым электрическим полем, появляющимся при изменении магнитного поля. Однако в обоих случаях индукционный ток направлен так, чтобы скомпенсировать изменение потока магнитного поля через контур.

Если внешнее магнитное поле, пронизывающее неподвижный электрический контур, создаётся током, текущим в другом контуре, то индукционный ток может оказаться направлен как в том же направлении, что и внешний, так и в противоположном: это зависит от того, уменьшается или увеличивается внешний ток. Если внешний ток увеличивается, то растёт создаваемое им магнитное поле и его поток, что приводит к появлению индукционного тока, уменьшающего это увеличение. В этом случае индукционный ток направлен в сторону, противоположную основному. В обратном случае, когда внешний ток уменьшается со временем, уменьшение магнитного потока приводит к возбуждению индукционного тока, стремящегося увеличить поток, и этот ток направлен в ту же сторону, что и внешний ток.