Направление индукционного тока. Правило Ленца. Закон ленца Как формулируется правило ленца

Правило Ленца необходимо для определения направления тока, который возникает в результате электромагнитной индукции. И звучит оно так: ток, который возникает в замкнутом проводнике под действием электромагнитной индукции, имеет такое направление, что созданный им поток магнитной индукции компенсирует тот поток, который его вызвал.

Проще говоря, индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы препятствовать потоку его вызвавшему.

Проведем такой эксперимент. Возьмем замкнутый контур, состоящий из проводника. В этот контур не будет включен никакой источник тока, и он будет иметь форму соленоида. К этому соленоиду будет подключён гальванометр. Далее в этот соленоид будем вводить постоянный магнит, повернутый северным полюсом. Вследствие этого начнет, увеличивается магнитный поток пронизывающий соленоид и, следовательно, в нем возникнет индуцированный ток. Направление этого тока укажет стрелка гальванометра.

Рисунок 1 — Введение постоянного магнита в солиноид

Этот самый индуцированный ток вызовет появление магнитного поля вокруг соленоида. Поле будет сходно с полем постоянного магнита. Но направлено оно будет навстречу вводимому магниту. То есть северный полюс индуцированного поля будет направлен в сторону северного полюса постоянного магнита.

Рисунок 2 — Возникновение индуцированного поля

Исходя из того что поля направлены встречно то есть между ними возникнут силы отталкивания то ток наведенный в контуре соленоида будет иметь такое направление чтобы противодействовать введению постоянного магнита в контур.
Теперь начнем удалять постоянный магнит от контура. Стрелка гальванометра повернется в другую сторону. Таким образом, станет понятно, что ток в контуре изменил свое направление. И поле, порожденное индуцированным током, будет стремиться сохранить убывающий магнитный поток.

Рисунок 3 — Удаление постоянного магнита от солиноида

В данном опыте не обязательно перемещать магнит. Его можно вращать относительно оси, которая разделяет магнитные полюса. Также можно перемещать либо вращать соленоид. В качестве постоянного магнита можно использовать другой соленоид, к которому подключён источник тока.

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению магнитного потока, которым он вызван.

Применение правила Ленца

1. показать направление вектора В внешнего магнитного поля; 2. определить увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур; 3. показать направление вектора Вi магнитного поля индукционного тока (при уменьшении магнитного потока вектора В внешнего м.поля и Вi магнитного поля индукционного тока должны быть направлены одинаково, а при увеличениии магнитного потока В и Вi должны быть направлены противоположно); 4. по правилу буравчика определить направление индукционного тока в контуре.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Эл. ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции. Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.

Почему "-" ? - т.к. индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Если рассматривать не единичный контур, а катушку, где N- число витков в катушке:

Где R - сопротивление проводника.

САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции. Это явление называется самоиндукцией. Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока. Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи (вихревое поле тормозит электроны). В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток (стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи. В результате Л при выключении ярко вспыхивает. Вывод в электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (эл.ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (эл.ток пропадает не сразу).

ИНДУКТИВНОСТЬ

От чего зависит ЭДС самоиндукции? Эл.ток создает собственное магнитное поле. Магнитный поток через контур пропорционален индукции магнитного поля (Ф ~ B), индукция пропорциональна силе тока в проводнике (B ~ I), следовательно магнитный поток пропорционален силе тока (Ф ~ I). ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника (размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник. Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью. Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду. Также индуктивность можно рассчитать по формуле:

где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.

Единицы измерения индуктивности в системе СИ:

Индуктивность катушки зависит от: числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).

ЭДС САМОИНДУКЦИИ

ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении цепи и убыванию силы тока при размыкании цепи.

Ферромагнетики - вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критическойтемпературы (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик - такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3 d -металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er

Магнитный гистерезис - явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Магнитный гистерезис обычно проявляется в ферромагнетиках - Fe, Co, Ni и сплавах на их основе. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Колебательный контур - осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённыекатушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).

Колебательный контур - простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания

Резонансная частота контура определяется так называемой формулой Томсона:

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.

Свойства электромагнитных волн: -распространяются не только в веществе, но и в вакууме; - распространяются в вакууме со скоростью света (С = 300 000 км/c); - это поперечные волны; - это бегущие волны (переносят энергию).

Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды. Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.

Э.Х. Ленцем установлен закон, позволяющий определить направление тока индукции. Получив информацию об открытии М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, Ленц провел ряд экспериментов для того, чтобы получить количественные законы индукции. Он полагал, что «сила мгновенного тока» работает как удар. И сила данного удара измеряется по скорости, которая сообщается стрелке индикатора электрического тока. Ленц сделал вывод о том, что появление тока индукции зависит от скорости «отрыва» катушки от магнита, ЭДС, которая возбуждается в катушке, пропорциональна количеству витков и равна результирующей ЭДС, которые возбуждаются в каждом витке, при этом на нее не влияют материал и диаметр обмотки якоря. Но самым важным открытием, которое сделал Ленц, стал закон (часто его называют правилом) о направлении тока индукции. До него, сам Фарадей и ряд других ученых, предлагали весьма сложные правила, которые давали возможность определить направление индукционного тока для частных случаев.

Формулировка закона Ленца

Индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.

Закон Ленца применим, когда проводники движутся, а магнитное поле постоянно и в случае, когда проводники неподвижны, а переменным является магнитное поле (сила тока). Индукционные токи всегда вызывают поле, которое стремится противодействовать изменениям внешнего поля, вызвавшим эти токи.

Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии. Так, токи индукции, как и любые другие токи, совершают определенную работу. Это означает, что при движении замкнутого проводника в магнитном поле должна произвестись дополнительная работа внешних сил. Эта работа появляется, так как токи индукции взаимодействуют с магнитным полем, вызывают силы, которые направлены в сторону, противоположную движению (то есть движению препятствуют).

Если записать закон электромагнитной индукции в формулировке Максвелла:

где — ЭДС индукции, Ф —магнитный поток. Знак минус в формуле (1) соответствует закону Ленца.

Допустим, что положительное направление нормали совпадает с направлением магнитной индукции. В таком случае поток через контур является положительным. Если магнитное поле, в рассматриваемом случае, будет увеличиваться (то есть title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="22" width="54" style="vertical-align: -6px;">), то в соответствии (1), а это значит, что сила тока . Получается, что направление тока индукции является противоположным к избранному нами положительному направлению.

Следствием закона Ленца считают принцип обратимости электрических машин:

Электрическая машина обратима, то есть она может работать и как генератор, и как двигатель.

План использования правила Ленца

Правило Ленца, например, можно применять, используя следующую последовательность действий (удобно для замкнутого контура):

1. Определить (рассмотреть) как направлен вектор внешнего магнитного поля.
2. Определить уменьшается или увеличивается магнитный поток сквозь контур.
3. Указать направление вектора магнитной индукции поля тока индукции. В том случае, если магнитный поток внешнего поля уменьшается, то вектор магнитной индукции поля индукционного тока является сонаправленным с внешним полем.
4. Применяя правило буравчика (для кругового тока) или правила правой руки для прямого тока определить направление тока индукции.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Прямолинейный проводник перемещается параллельно самому себе в постоянном магнитном поле (рис.1). Как будет направлен индукционный ток?
Решение	Будем считать, что плоскость, в которой движется проводник, перпендикулярна плоскости рисунка, линии магнитного поля лежат в плоскости рисунка (рис.1). Направление тока индукции и знак ЭДС определяются при помощи закона Ленца: ток направлен так, что механическая сила, которая действует на перемещающийся проводник, противоположна скорости движения, то есть она тормозит проводник. Сила, которая действует на проводник с током — это сила Ампера. Ее направление определяют при помощи правила левой руки: Линии магнитного поля должны входить в ладонь, четыре пальца направлены по току, отогнутый на 900 большой палец указывает на направление действия силы. Для того чтобы сила Ампера была направлена против скорости, ток в проводнике должен течь на нас.
Ответ	Индукционный ток направлен на нас.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в результате изменения во времени магнитного потока, который пронизывает замкнутый проводящий контур, в контуре возникает электрический ток. Открыто это явление было физиком из Великобритании Максом Фарадеем в 1831 году.

Введем обозначения, необходимые нам для записи формулы. Для обозначения магнитного потока используем букву Ф, площади контура – S , модуля вектора магнитной индукции – B , α – это угол между вектором B → и нормалью n → к плоскости контура.

Магнитный поток, который проходит через площадь замкнутого проводящего контура, можно задать следующей формулой:

Φ = B · S · cos α ,

Проиллюстрируем формулу.

Рисунок 1 . 20 . 1 . Магнитный поток через замкнутый контур. Направление нормали n → и выбранное положительное направление l → обхода контура связаны правилом правого буравчика.

За единицу магнитного потока в С И принят 1 вебер (В б) . Магнитный поток, равный 1 В б, может быть создан в плоском контуре площадью 1 м 2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Т л, которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 В б = 1 Т л · м 2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δ и н д. Она равна скорости, с которой происходит изменение магнитного потока через ограниченную контуром поверхность, взятой со знаком минус. Впервые экспериментально установил это Макс Фарадей. Он же записал свое наблюдение в виде формулы ЭДС индукции, которая теперь носит название Закона Фарадея:

Определение 1

Закон Фарадея:

δ и н д = - ∆ Φ ∆ t

Правило Ленца

Определение 2

Согласно результатам опытов, индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре в результате изменения магнитного потока, всегда направлен определенным образом. Создаваемое индукционным током магнитное поле препятствует изменению вызвавшего этот индукционный ток магнитного потока. Ленц сформулировал это правило в 1833 году.

Проиллюстрируем правило Ленца рисунком, на котором изображен неподвижный замкнутый проводящий контур, помещенный в однородное магнитное поле. Модуль индукции увеличивается во времени.

Пример 1

Благодаря правилу Ленца мы можем обосновать тот факт, что в формуле электромагнитной индукции δ и н д и ∆ Φ ∆ t противоположны по знакам.

Если задуматься о физическом смысле правила Ленца, то это частный случай Закона сохранения энергии.

Причин, по которым может происходить изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, две:

1. Изменение магнитного потока вследствие перемещения всего контура или отдельных его частей в магнитном поле, которое не изменяется со временем;
2. Изменение магнитного поля при неподвижном контуре.

Перейдем к рассмотрению этих случаев подробнее.

Перемещение контура или его частей в неизменном магнитном поле

При движении проводников и свободных носителей заряда в магнитном поле возникает ЭДС индукции. Объяснить возникновение δ и н д можно действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца здесь – это сторонняя сила.

Пример 2

На рисунке мы изобразили пример индукции, когда прямоугольный контур помещен в однородное магнитное поле B → направленное перпендикулярно плоскости контура. Одна из сторон контура перемещается по двум другим сторонам с некоторой скоростью.

Рисунок 1 . 20 . 3 . Возникновение ЭДС индукции в движущемся проводнике. Отражена составляющая силы Лоренца, которая действует на свободный электрон

На свободные заряды подвижной части контура воздействует сила Лоренца. Основная составляющая силы Лоренца в данном случае направлена вдоль проводника и связана с переносной скоростью зарядов υ → . Модуль этой сторонней силы равен:

F Л = e υ → B .

Работа силы F Л на пути l равна:

A = F Л · l = e υ B l .

По определению ЭДС:

δ и н д = A e = υ B l .

Значение сторонней силы для неподвижных частей контура равно нулю. Для соотношения δ и н д можно записать другой вариант формулы. Площадь контура с течением времени изменяется на Δ S = l υ Δ t . Соответственно, магнитный поток тоже будет с течением времени изменяться: Δ Φ = B l υ Δ t .

Следовательно,

δ и н д = ∆ Φ ∆ t .

Знаки в формуле, которая связывает δ и н д и ∆ Φ ∆ t , можно установить в зависимости от того, какие направления нормали и направления контура будут выбраны. В случае выбора согласованных между собой по правилу правого буравчика направлений нормали n → и положительного направления обхода контура l → можно прийти к формуле Фарадея.

При условии, что сопротивление всей цепи – это R , то по ней будет протекать индукционный ток, который равен I и н д = δ и н д R . За время Δ t на сопротивлении R выделится джоулево тепло:

∆ Q = R I и н д 2 ∆ t = υ 2 B 2 l 2 R ∆ t

Парадокса здесь нет. Мы просто не учли воздействие на систему еще одной силы. Объяснение заключается в том, что при протекании индукционного тока по проводнику, расположенному в магнитном поле, на свободные заряды действует еще одна составляющая силы Лоренца, которая связана с относительной скоростью движения зарядов вдоль проводника. Благодаря этой составляющей появляется сила Ампера F А → .

Для рассмотренного выше примера модуль силы Ампера равен F A = I B l . Направление силы Ампера таково, что она совершает отрицательную механическую работу A м е х. Вычислить эту механическую работу за определенный период времени можно по формуле:

A м е х = - F υ ∆ t = - I B l υ ∆ t = - υ 2 B 2 l 2 R ∆ t

Проводник, перемещающийся в магнитном поле, испытывает магнитное торможение. Это приводит к тому, что полная работа силы Лоренца равна нулю. Джоулево тепло может выделяться либо за счет уменьшения кинетической энергии движущегося проводника, либо за счет энергии, которая поддерживает скорость перемещения проводника в пространстве.

Изменение магнитного поля при неподвижном контуре

Определение 3

Вихревое электрическое поле – это электрическое поле, которое вызывается изменяющимся магнитным полем.

В отличие от потенциального электрического поля работа вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому проводящему контуру равна δ и н д в неподвижном проводнике.

В неподвижном проводнике электроны могут приводиться в движение только под действием электрического поля. А возникновение δ и н д нельзя объяснить действием силы Лоренца.

Первым, кто ввел понятие вихревого электрического поля, был английский физик Джон Максвелл. Случилось это в 1861 году.

Фактически, явления индукции в подвижных и неподвижных проводниках протекают одинаково. Так что в этом случае мы тоже можем использовать формулу Фарадея. Отличия касаются физической причины возникновения индукционного тока: в движущихся проводниках δ и н д обусловлена силой Лоренца, в неподвижных – действием на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.