Как найти направление эдс в катушке

Направление индукционного тока

При внесении в катушку магнита в ней возникает
индукционный ток. Если к катушке присоединить гальванометр, то можно заметить,
что направление тока будет зависеть от того приближаем ли мы магнит или удаляем
его.

Магнит будет взаимодействовать с катушкой либо
притягиваясь, либо отталкиваясь от нее. Это будет возникать вследствие того,
что катушка с проходящим по ней током, будет подобна магниту с двумя полюсами.
Направление индуцируемого тока будет определять, где у катушки будет находиться
какой из полюсов.

Если приближать к катушке магнит, то в ней будет
возникать индукционный ток такого направления, что катушка обязательно будет
отталкиваться от магнита. Если мы будет удалять магнит от катушки, то при этом
в катушке возникнет такой индукционный ток, что она будет притягиваться к
магниту.

Стоит отметить, что не важно каким полюсом мы
подносим или убираем магнит, всегда при подносе катушка будет отталкиваться, а
при удалении притягиваться. Различие состоит в том, что при приближении магнита
к катушке магнитный поток, который будет пронизывать катушку, увеличивается,
так как у полюса магнита кучность линий магнитной индукции увеличивается. А при
удалении магнита, магнитный поток, пронизывающий катушку, будет уменьшаться.

Узнать направление индукционного тока можно. Для
этого существует правило Ленца. Оно основано на законе сохранения.
Рассмотрим следующий опыт.

Имеется катушка с подключенным к ней
гальванометром. К одному и краев катушки начинаем подносить магнит, например,
северным полюсом. Количество линий, которые будут пронизывать поверхность
каждого витка катушки, будет увеличиваться. Следовательно, будет увеличиваться
и значение магнитного потока.

Так как должен выполняться закон сохранения,
должно возникнуть магнитное поле, которое будет препятствовать изменению
магнитного потока. В нашем случае магнитный поток увеличивался, следовательно,
ток должен течь в таком направлении, чтобы линии вектора магнитной индукции,
создаваемые катушкой, были направлены в противоположном направлении линиям
магнитной индукции, создаваемым магнитом.

То есть они должны в нашем случае быть направлены
вверх. Теперь воспользуемся правилом буравчика. Направляем большой палец правой
руки по необходимому нам направлению линий магнитной индукции, то есть – вверх.
Тогда остальные пальцы укажут, в какую сторону должен быть направлен
индукционный ток. В нашем случае, слева на право.

Аналогичный процесс происходит при удалении
магнита. Убираем магнит, магнитный поток уменьшается, следовательно, должно
возникнуть поле которое будет увеличивать магнитный поток. То есть поле линии
магнитной индукции, которого будут сонаправлены с линиями магнитной индукции,
создаваемыми постоянным магнитом. В нашем случае эти лини направлены вниз.
Опять пользуемся правилом буравчика и определяем направление индукционного
тока.

Правило Ленца.

Согласно правилу Ленца возникающий в
замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому
изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно
сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы
препятствовать причине, его вызывающей.

Применять правило Ленца для нахождения направления
индукционного тока в контуре надо так:

1.      Определить
направление линий магнитной индукции вектора В внешнего
магнитного поля.

2.      Выяснить,
увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность,
ограниченную контуром (ΔФ >
0), или уменьшается (ΔФ <
0).

3.      Установить
направление линий магнитной индукции вектора В’ магнитного
поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца
направлены противоположно линиям магнитной индукции вектора В’ при ΔФ > 0
и иметь одинаковое с ними направление при ΔФ <
0.

4.      Зная
направление линий магнитной индукции вектора В’, найти
направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.

Направление индукционного тока
определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех
случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению
магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.

Вихревое
электрическое поле.

Причина возникновения электрического тока в
неподвижном проводнике – электрическое поле.

Всякое изменение магнитного поля порождает
индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого
контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность
потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым.Направление силовых линий вихревого электрического поля совпадает
с направлением индукционного тока

Индукционное электрическое поле имеет совершенно
другие свойства в отличии от электростатического поля.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле (вихревое электрическое поле )
1. создается неподвижными электрическими зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты -потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты – вихревое поле
3. источниками поля являются электрические заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна нулю.	4. работа сил поля по перемещению пробного заряда по замкнутому пути равна ЭДС индукции

В материале разберемся в понятии ЭДС индукции в ситуациях ее возникновения. Также рассмотрим индуктивность в качестве ключевого параметра возникновения магнитного потока при появлении электрического поля в проводнике.

Электромагнитная индукция представляет собой генерирование электрического тока магнитными полями, которые изменяются во времени. Благодаря открытиям Фарадея и Ленца закономерности были сформулированы в законы, что ввело симметрию в понимание электромагнитных потоков. Теория Максвелла собрала воедино знания об электрическом токе и магнитных потоках. Благодаря открытия Герца человечество узнало о телекоммуникациях.

Магнитный поток

Вокруг проводника с электротоком появляется электромагнитное поле, однако параллельно возникает также обратное явление – электромагнитная индукция. Рассмотрим магнитный поток на примере: если рамку из проводника поместить в электрическое поле с индукцией и перемещать ее сверху вниз по магнитным силовым линиям или вправо-влево перпендикулярно им, тогда магнитный поток, проходящий через рамку, будет постоянной величиной.

При вращении рамки вокруг своей оси, тогда через некоторое время магнитный поток изменится на определенную величину. В результате в рамке возникает ЭДС индукции и появится электрический ток, который называется индукционным.

ЭДС индукции

Разберемся детально, что такое понятие ЭДС индукции. При помещении в магнитное поле проводника и его движении с пересечением силовых линий поля, в проводнике появляется электродвижущая сила под названием ЭДС индукции. Также она возникает, если проводник остается в неподвижном состоянии, а магнитное поле перемещается и пересекается с проводником силовыми линиями.

Когда проводник, где происходит возникновение ЭДС, замыкается на вешнюю цепь, благодаря наличию данной ЭДС по цепи начинает протекать индукционный ток. Электромагнитная индукция предполагает явление индуктирования ЭДС в проводнике в момент его пересечения силовыми линиями магнитного поля.

Электромагнитная индукция являет собой обратный процесс трансформации механической энергии в электроток. Данное понятие и его закономерности широко используются в электротехнике, большинство электромашин основывается на данном явлении.

Законы Фарадея и Ленца

Законы Фарадея и Ленца отображают закономерности возникновения электромагнитной индукции.

Фарадей выявил, что магнитные эффекты появляются в результате изменения магнитного потока во времени. В момент пересечения проводника переменным магнитным током, в нем возникает электродвижущая сила, которая приводит к возникновению электрического тока. Генерировать ток может как постоянный магнит, так и электромагнит.

Ученый определил, что интенсивность тока возрастает при быстром изменении количества силовых линий, которые пересекают контур. То есть ЭДС электромагнитной индукции пребывает в прямой зависимости от скорости магнитного потока.

Согласно закону Фарадея, формулы ЭДС индукции определяются следующим образом:

Е = — dФ/dt.

Знак «минус» указывает на взаимосвязь между полярностью индуцированной ЭДС, направлением потока и изменяющейся скоростью.

Согласно закону Ленца, можно охарактеризовать электродвижущую силу в зависимости от ее направленности. Любое изменение магнитного потока в катушке приводит к появлению ЭДС индукции, причем при быстром изменении наблюдается возрастающая ЭДС.

Если катушка, где есть ЭДС индукции, имеет замыкание на внешнюю цепь, тогда по ней течет индукционный ток, вследствие чего вокруг проводника появляется магнитное поле и катушка приобретает свойства соленоида. В результате вокруг катушки формируется свое магнитное поле.

Э.Х. Ленц установил закономерность, согласно которой определяется направление индукционного тока в катушке и ЭДС индукции. Закон гласит, что ЭДС индукции в катушке при изменении магнитного потока формирует в катушке ток направления, при котором данный магнитный поток катушки дает возможность избежать изменения постороннего магнитного потока.

Закон Ленца применяется для всех ситуаций индуктирования электротока в проводниках, вне зависимости от их конфигурации и метода изменения внешнего магнитного поля.

Движение провода в магнитном поле

Значение индуктированной ЭДС определяется в зависимости от длины проводника, пересекаемого силовыми линиями поля. При большем количестве силовых линий возрастает величина индуктируемой ЭДС. При увеличении магнитного поля и индукции, большее значение ЭДС возникает в проводнике. Таким образом, значение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике находится в прямой зависимости от индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его движения.

Данная зависимость отражена в формуле Е = Blv, где Е — ЭДС индукции; В — значение магнитной индукции; I — длина проводника; v —скорость его перемещения.

Отметим, что в проводнике, который движется в магнитном поле, ЭДС индукции появляется, только когда он пересекает силовые линии магнитного поля. Если проводник движется по силовым линиям, тогда ЭДС не индуктируется. По этой причине формула применяется только в случаях, когда движением проводника направлено перпендикулярно силовым линиям.

Направление индуктированной ЭДС и электротока в проводнике определяется направлением движения самого проводника. Для выявления направления разработано правило правой руки. Если держать ладонь правой руки таким образом, чтобы в ее направлении входили силовые линии поля, а большой палец указывает направление движения проводника, тогда остальные четыре пальца показывают направление индуктированной ЭДС и направление электротока в проводнике.

Вращающаяся катушка

Функционирование генератора электротока основывается на вращении катушки в магнитном потоке, где имеется определенное количество витков. ЭДС индуцируется в электрической цепи всегда при пересечении ее магнитным потоком, на основании формулы магнитного потока Ф = B x S х cos α (магнитная индукция, умноженная на площадь поверхности, через которую проходит магнитный поток, и косинус угла, сформированный вектором направления и перпендикулярной плоскости линии).

Согласно формуле, на Ф воздействуют изменения в ситуациях:

• при изменении магнитного потока меняется вектор направления;
• изменяется площадь, заключенная в контур;
• меняется угол.

Допускается индуцирование ЭДС при неподвижном магните или неизменном токе, а просто при вращении катушки вокруг своей оси в пределах магнитного поля. В данном случае магнитный поток изменяется при смене значения угла. Катушка в процессе вращения пересекает силовые линии магнитного потока, в итоге появляется ЭДС. При равномерном вращении возникает периодическое изменение магнитного потока. Также число силовых линий, которые пересекаются ежесекундно, становится равным значениям через равные временные промежутки.

На практике в генераторах переменного электротока катушка остается в неподвижном состоянии, а электромагнит выполняет вращения вокруг нее.

ЭДС самоиндукции

При прохождении через катушку переменного электротока генерируется переменное магнитное поле, которое характеризуется меняющимся магнитным потоком, индуцирующим ЭДС. Данное явление называется самоиндукцией.

В силу того, что магнитный поток пропорционален интенсивности электротока, тогда формула ЭДС самоиндукции выглядит таким образом:

Ф = L x I, где L – индуктивность, которая измеряется в Гн. Ее величина определяется числом витков на единицу длины и величиной их поперечного сечения.

Взаимоиндукция

При расположении двух катушек рядом в них наблюдается ЭДС взаимоиндукции, которая определяется конфигурацией двух схем и их взаимной ориентацией. При возрастании разделения цепей значение взаимоиндуктивности уменьшается, поскольку наблюдается уменьшение общего для двух катушек магнитного потока.

Рассмотрим детально процесс возникновения взаимоиндукции. Есть две катушки, по проводу одной с N1 витков течет ток I1, которым создается магнитный поток и идет через вторую катушку с N2 числом витков.

Значение взаимоиндуктивности второй катушки в отношении первой:

М21 = (N2 x F21)/I1.

Значение магнитного потока:

Ф21 = (М21/N2) x I1.

Индуцированная ЭДС вычисляется по формуле:

Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt.

В первой катушке значение индуцируемой ЭДС:

Е1 = — M12 x dI2/dt.

Важно отметить, что электродвижущая сила, спровоцированная взаимоиндукцией в одной из катушек, в любом случае прямо пропорциональна изменению электрического тока в другой катушке.

Тогда взаимоиндуктивность считается равной:

М12 = М21 = М.

Вследствие этого , E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt. М = К √ (L1 x L2), где К является коэффициентом связи между двумя значениями инжуктивности.

Взаимоиндукция широко используется в трансформаторах, которые дают возможность менять значения переменного электротока. Прибор представляет собой пару катушек, которые намотаны на общий сердечник. Ток в первой катушке формирует изменяющийся магнитный поток в магнитопроводе и ток во второй катушке. При меньшем числе витков в первой катушке, чем во второй, возрастает напряжение, и соответственно при большем количестве витков в первой обмотке напряжение снижается.

Помимо генерирования и трансформации электрической энергии, явление магнитной индукции используется в прочих приборах. К примеру, в магнитных левитационных поездах, движущихся без непосредственного контакта с током в рельсах, а на пару сантиметров выше по причине электромагнитного отталкивания.

Электромагнитная индукция

Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

• На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
• Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
• Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

• источник – переменное магнитное поле;
• обнаруживается по действию на заряд;
• не является потенциальным;
• линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​( S )​ контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​( B )​, площади поверхности ​( S )​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​( alpha )​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

Обозначение – ​( Phi )​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м², расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции:

Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​( alpha )​ магнитный поток может быть положительным (( alpha ) < 90°) или отрицательным (( alpha ) > 90°). Если ( alpha ) = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​( N )​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением ​( R )​:

При движении проводника длиной ​( l )​ со скоростью ​( v )​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​( vec{B} )​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​( alpha )​ – угол между векторами ​( vec{B} )​ и ( vec{v} ).

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

• магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
• вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

• в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
• в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

• определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
• выяснить, как изменяется магнитный поток;
• определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
• по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Самоиндукция

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике в результате изменения тока в нем.

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.

Это приводит к тому, что при замыкании цепи, в которой есть источник тока с постоянной ЭДС, сила тока устанавливается через некоторое время.

При отключении источника ток также не прекращается мгновенно. Возникающая при этом ЭДС самоиндукции может превышать ЭДС источника.

Явление самоиндукции можно наблюдать, собрав электрическую цепь из катушки с большой индуктивностью, резистора, двух одинаковых ламп накаливания и источника тока. Резистор должен иметь такое же электрическое сопротивление, как и провод катушки.

Опыт показывает, что при замыкании цепи электрическая лампа, включенная последовательно с катушкой, загорается несколько позже, чем лампа, включенная последовательно с резистором. Нарастанию тока в цепи катушки при замыкании препятствует ЭДС самоиндукции, возникающая при возрастании магнитного потока в катушке.

При отключении источника тока вспыхивают обе лампы. В этом случае ток в цепи поддерживается ЭДС самоиндукции, возникающей при убывании магнитного потока в катушке.

ЭДС самоиндукции ​( varepsilon_{is} )​, возникающая в катушке с индуктивностью ​( L )​, по закону электромагнитной индукции равна:

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

Индуктивность

Электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток ​( Phi )​ через контур из этого проводника пропорционален модулю индукции ​( vec{B} )​ магнитного поля внутри контура, а индукция магнитного поля, в свою очередь, пропорциональна силе тока в проводнике.

Следовательно, магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в контуре:

Индуктивность – коэффициент пропорциональности ​( L )​ между силой тока ​( I )​ в контуре и магнитным потоком ​( Phi )​, создаваемым этим током:

Индуктивность зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн). Индуктивность контура равна 1 генри, если при силе постоянного тока 1 ампер магнитный поток через контур равен 1 вебер:

Можно дать второе определение единицы индуктивности: элемент электрической цепи обладает индуктивностью в 1 Гн, если при равномерном изменении силы тока в цепи на 1 ампер за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт.

Энергия магнитного поля

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа накаливания, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции.

Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Для создания тока в контуре с индуктивностью необходимо совершить работу на преодоление ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля тока вычисляется по формуле:

Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»

Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:

1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.

2. Записать формулу:

• закона электромагнитной индукции;
• ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.

3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.

4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).

5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.

6. Решение проверить.

 «Искусство
экспериментатора состоит в том,

чтобы
уметь задавать природе вопросы,

и
понимать ее ответы»

Майкл
Фарадей

В данной теме разговор пойдёт о том, как определить
направление индукционного тока. Рассмотрим правило Ленца.

В прошлой теме говорилось о таком явлении, как
электромагнитная индукция и магнитном потоке. Магнитный поток через плоскую
поверхность — это скалярная физическая величина, численно равная
произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной
контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.

Явление электромагнитной индукции
состоит в том, что в замкнутом контуре при изменении магнитного потока в нем
возникает электрический ток, который мы  с вами называли индукционным.

Закон электромагнитной индукции
гласит: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости
изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Знак «минус» в формуле показывает, что индукционный
ток противодействует изменению магнитного потока. Поэтому ЭДС индукции и
скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Теперь настало время поговорить об этом более
подробно и дать физическое обоснование этого явления.

Как было показано в прошлых опытах в катушке, при
приближении или удалении от нее магнита, возникает индукционный ток разного
направления.

Индукционный ток в катушке, как и любой другой ток,
создает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем
постоянного магнита. Задача сводится к тому, что бы разобраться в механизме
этого взаимодействия.

Для определения направления линий магнитного поля
внутри катушки с индукционным током, будем пользоваться правилом буравчика,
которое гласит, что если вращать головку правого винта по току в витке, то
тогда поступательное движение острия винта укажет направление магнитного поля
соленоида, а следовательно, и его северного полюса.

Если приближать магнит к катушке, например северным
полюсом, то в ней возникнет индукционный ток такого направления, что на
ближайшем конце катушки появится одноименный магнитный полюс.

Из рисунка видно, что вектор магнитной индукции поля
постоянного магнита направлен вниз, а вектор магнитной индукции поля возникшего
индукционного тока — вверх, так как линии магнитной индукции поля катушки
выходят из северного полюса. Это значит, что в данном случае, т.е. при
увеличении магнитного потока, пронизывающего катушку, в ней возникает
индукционный ток такого направления, что его магнитное поле направлено
навстречу магнитному полю, порождающему этот ток.

Получается два магнита, обращенных друг к другу
одноименными полюсами, а известно, что одноименные полюса отталкиваются. Это
приводит к тому, что в этом случае постоянный магнит будет всегда
отталкиваться от катушки.

Если же удалять магнит от катушки, то на ближайшем
ее полюсе возникнет магнитный полюс, противоположный полюсу постоянного
магнита. Получается, что опять магнитное поле индукционного тока будет
препятствовать изменению магнитного поля, порождающего этот индукционный ток.

Т.е. имеются два магнита, обращенных друг к другу
разноименными полюсами, а известно, что разноименные полюса притягиваются, что
приводит к тому, что постоянный  магнит, в этом случае, будет всегда
притягиваться к катушке.

Аналогично будет происходить, если поменять полюс
магнита с северного на южный.

Таким образом, проследив за взаимодействием между
полюсами катушки и магнита во всех случаях и сравнив его с направлением
движения магнита, можно легко заметить, что взаимодействие между полюсами
всегда препятствует движению магнита.

К аналогичным выводам в 1833 году пришел прославленный
российский физик, один из основоположников электротехники,  Эмилий Христианович
Ленц.

Однако, в своих опытах, Ленц использовал не катушку,
а прибор, состоящий из узкой алюминиевой пластины с алюминиевыми кольцами на
концах. Одно кольцо было сплошное, а другое — с разрезом. Данный прибор был
помещен на стойку и мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Ленц брал
полосовой магнит и вносил его в кольца.

При подносе магнита к кольцу с разрезом, никаких
изменений в установке не наблюдалось. Однако, пытаясь внести этот же магнит в
сплошное кольцо, Ленц наблюдал, как оно начинало «убегать» от магнита,
поворачивая при этом всю пластинку. Убирая магнит от кольца, оно возвращалось в
первоначальное положение. Ленц объяснял эти явления так: при приближении
к кольцу магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо
магнитный поток увеличивается. При этом в сплошном кольце возникает
индукционный ток, а в кольце с разрезом ток циркулировать не может.

Отталкивание сплошного кольца показывает, что
индукционный ток в нем имеет такое направление, что линии индукции магнитного
поля, порожденного индукционным током, направлены противоположно линиям
индукции внешнего поля магнита. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к
другу одноименными полюсами.

При уменьшении магнитного потока (выдвигание
магнита), индукционный ток имеет в нем такое направление, что линии индукции
его магнитного поля совпадают по направлению с линиями индукции внешнего
магнитного поля. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу
разноименными полюсами.

Таким образом, проследив за взаимодействием между
кольцом и магнитом во всех случаях и сравнив его с направлением движения
магнита, можно видеть, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует
движению магнита.

Эмилий Христианович Ленц обобщил найденные им
закономерности и сформулировал общее правило. Найденную им связь называют его
именем, правилом Ленца. Оно гласит, что электромагнитная индукция
создает в контуре индукционный ток такого направления, что созданное им
магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.

С помощью правила Ленца всегда можно определить
направление индукционного тока. Для этого необходимо:

– Выяснить причину возникновения индукционного тока
(увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур);

– Определить направление вектора магнитной индукции
индуцирующего магнитного поля;

– Найти направление индукции магнитного поля
индукционного тока (если DF > 0,
то ;
DF < 0,
то );

– По направлению вектора магнитной индукции
индукционного тока определить, пользуясь правилом буравчика, направление
индукционного тока.

Сформулируем закон электромагнитной индукции:
среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения
магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Изучив правило Ленца, можем сказать, что знак минус,
в математической записи закона, учитывает именно его.

Согласно этому правилу, если магнитный поток будет
увеличиваться (т.е. скорость изменения магнитного потока будет больше нуля), то
ЭДС индукции будет отрицательна и, наоборот, при уменьшении магнитного потока
(когда скорость его изменения будет меньше нуля) ЭДС индукции будет
положительна.

Индукционный ток, а, следовательно, и ЭДС индукции,
возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных
проводниках, помещенных в переменное магнитное поле.
Единственное отличие состоит в том, что эти токи оказываются замкнутыми в толще
проводника, и поэтому их называют вихревыми, а также токами Фуко, которые
вызывают нагревание проводников. Однако и они полностью подчиняются правилу
Ленца.

Основные выводы:

– Направление индукционного тока определяется с
помощью закона сохранения энергии.

– Правило Ленца: индукционный ток во всех
случаях направлен так, что бы своим магнитным полем препятствовать изменению
магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.