Если присоединить катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке, или удаляется от нее. Причем возникающий индукционный ток взаимодействует с магнитом — притягивает или отталкивает его.
Катушка с протекающей по ней током подобна магниту с двумя полюсами — северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки играет роль северного полюса, из которого выходят линии магнитной индукции. В каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать, можно предсказать, опираясь на закон сохранения энергии.
Взаимодействие индукционного тока с магнитом
Если магнит приближать к катушке, то в ней появится индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки при этом нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюсы отталкиваются. При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.
Представьте, что все было бы иначе. Тогда при введении магнита в катушку он сам бы устремлялся в нее. Это противоречит закону сохранения энергии, так как при этом увеличилась бы кинетическая энергия при одновременном возникновении индукционного тока, который также затрачивает часть энергии. Кинетическая энергия и энергия тока в этом случае возникали бы из ничего, без затрат энергии, что невозможно.
Справедливость вывода можно подтвердить с помощью следующего опыта. Пусть на свободно вращающемся стержне закреплены два алюминиевых кольца: с разрезом и без разреза. Если поднести магнит к кольцу без разреза, оно будет отталкиваться. Если поднести его к кольцу с разрезом, ничего не произойдет. Это связано с тем, что в нем не возникает индукционный ток. Этому препятствует разрез. Но если отдалять магнит от кольца без разреза, то оно начнет притягиваться.
Опыты показывают, что притягивание или отталкивание кольца с индукционным током зависит от того, удаляется магнит, или притягивается. А различаются они характером изменения линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную кольцом. В первом случае (рис. а) магнитный поток увеличивается, во втором (рис. б) — уменьшается. То же самое можно наблюдать в опытах с магнитом и проводящей катушкой.
Причем в первом случае линии индукции B’ магнитного поля, созданного возникшем в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, та как катушка отталкивает магнит. Во втором же случае напротив, они входят в этот конец.
Правило Ленца
Описанные выше опыты позволяют делать вывод, что при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с такой индукцией, которая увеличивает магнитный поток через витки катушки.
Правило направления индукционного тока носит название правила Ленца.
Правило Ленца
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока Ii в контуре надо так:
- Установить направление линий магнитной индукции →B внешнего магнитного поля.
- Выяснить, увеличивается ли поток магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (ΔΦ>0), или уменьшается (ΔΦ<0).
- Установить направление линий магнитной индукции →B‘ магнитного поля индукционного тока Ii. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям →B при ΔΦ>0 и иметь одинаковое с ними направление при ΔΦ<0.
- Зная направление линий магнитной индукции →B‘, найти направление индукционного тока Ii, пользуясь правилом правой руки.
Пример №1. Найти направление индукционного тока, возникающего в кольце во время приближения к нему магнита (см. рисунок).
Линии магнитной индукции магнита обращены в сторону кольца, так как он направлен к нему северным полюсом. Так как магнит приближается к кольцу, магнитный поток увеличивается. Следовательно, кольцо отталкивается. Тогда оно обращено к магниту одноименным — северным — полюсом. Применим правило правой руки. Так как линии магнитной индукции выходят из северного полюса, направим к нему большой палец. Теперь четыре пальца руки покажут направление индукционного тока. В нашем случае он будет направлен против направления хода часовой стрелки.
Задание EF17577
Медное кольцо на горизонтальном коромысле поворачивается вокруг вертикальной оси ОВ под действием движущегося магнита С. Установите соответствие между направлением движения магнита, вращением коромысла с кольцом и направлением индукционного тока в кольце.
К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
| МАГНИТ | ПОВОРОТ КОРОМЫСЛА И ТОК В КОЛЬЦЕ | ||
| А) | движется по направлению к кольцу, северный полюс обращён к кольцу | 1) | коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идёт по часовой стрелке |
| Б) | движется к кольцу, к кольцу обращён южный полюс |
2) | коромысло с кольцом поворачивается, отталкиваясь от магнита, ток идёт против часовой стрелки |
| 3) | коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идёт по часовой стрелке | ||
| 4) | коромысло с кольцом поворачивается, притягиваясь к магниту, ток идёт против часовой стрелки |
Алгоритм решения
- Записать правило Ленца.
- В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит северным полюсом.
- В соответствии с правилом Ленца установить, что произойдет, если к кольцу поднести магнит южным полюсом.
Решение
Запишем правило Ленца:
Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
Следовательно, если поднести к кольцу магнит северным полюсом, линии магнитной индукции поля, образованного магнитом, будут направлены в сторону кольца (т.к. они выходят из северного полюса). Тогда в кольце образуется такой ток, при котором с той стороны, с которой подносят магнит, тоже сформируется северный полюс. Используем правило правой руки и расположим большой палец правой руки так, чтобы он указывал в сторону северного полюса кольца с индукционным током. Тогда четыре пальца покажут направление этого тока. Следовательно, индукционный ток направлен по часовой стрелке.
Если поднести к кольцу магнит южным полюсом, линии магнитной индукции поля, образованного магнитом, будут направлены в сторону от кольца (т.к. они выходят из северного полюса). Тогда в кольце образуется такой ток, при котором с той стороны, с которой подносят магнит, тоже сформируется южный полюс. Используем правило правой руки и получим, что в этом случае индукционный ток будет направлен против часовой стрелки.
Так как магнит подносят к кольцу, а не отодвигают от него, то кольцо всегда будет отталкиваться, поскольку в нем возникают силы противодействия. Следовательно, позиции А соответствует строка 1, а позиции Б — строка 2.
Ответ: 12
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF18621
На рисунке запечатлён тот момент демонстрации по проверке правила Ленца, когда все предметы неподвижны. Южный полюс магнита находится вблизи сплошного металлического кольца. Если магнит выдвигать из алюминиевого кольца, то кольцо перемещается вслед за магнитом. Это движение кольца – результат действия
Ответ:
а) силы гравитационного взаимодействия между кольцом и магнитом
б) силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля магнита на кольцо, по которому идёт индукционный ток
в) кулоновских (электростатических) сил, которые возникают при движении магнита относительно кольца
г) воздушных потоков, вызванных движением руки и магнита
Алгоритм решения
- Проанализировать предложенные варианты ответа.
- Установить природу взаимодействия магнита и кольца.
- Выбрать верный ответ.
Решение
Гравитационные силы между магнитом и кольцом ничтожно малы при данных массах и расстояниях, поэтому они не могли вызвать притяжения кольца к магниту.
Кулоновские силы характеризуют силу электростатического взаимодействия зарядов. Поскольку магнит не имеет заряда, между ним и кольцом такие силы не возникают.
Металлическое кольцо достаточно тяжелое для того, чтобы заставить его стремительно двигаться вслед за магнитом.
Но вариант с силой Ампера подходит, так как сила Ампера — это сила, с которой действует магнитное поле на проводник с током. В момент, когда магнит двигают в стороны от кольца, магнитный поток, пронизывающий его, меняется. Это вызывает образование в кольце индукционного тока, который также порождает магнитное поле, противодействующее магнитному полю постоянного магнита.
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF19032
Катушка №1 включена в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и реостата. Катушка № 2 помещена внутрь катушки № 1 и замкнута (см. рисунок).
Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения, характеризующих процессы в цепи и катушках при перемещении ползунка реостата вправо.
Ответ:
А) Сила тока в катушке № 1 увеличивается.
Б) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 1, всюду увеличивается.
В) Магнитный поток, пронизывающий катушку № 2, увеличивается.
Г) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя.
Д) В катушке № 2 индукционный ток направлен по часовой стрелке.
Алгоритм решения
- Проверить истинность каждого утверждения.
- Выбрать только истинные утверждения.
Решение
Согласно утверждению А, при перемещении ползунка реостата вправо сила тока в катушке №1 увеличивается. Перемещая ползунок реостата вправо, мы увеличиваем сопротивление. Следовательно, сила тока уменьшается. Утверждение А — неверно.
Согласно утверждению Б, при перемещении ползунка реостата вправо вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №1, всюду увеличивается. Так как сила тока уменьшается, вектор индукции магнитного поля ослабевает. Утверждение Б — неверно.
Согласно утверждению В, при перемещении ползунка реостата вправо магнитный поток, пронизывающий катушку №2, увеличивается. Так как магнитное поле ослабевает, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий катушку № 2. Утверждение В — неверно.
Согласно утверждению Г, при перемещении ползунка реостата вправо вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя. В катушке №1 ток течёт по часовой стрелке, и по правилу буравчика эта катушка будет создавать магнитное поле, направленное от наблюдателя. В силу того, что сила тока в цепи уменьшается, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий вторую катушку. При этом согласно правилу Ленца во второй катушке будет создаваться индукционный ток, который направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван. В этом случае вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой №2, в центре этой катушки сонаправлен с внешним полем и направлен от наблюдателя. Утверждение Г — верно.
Согласно утверждению Д, при перемещении ползунка реостата вправо в катушке №2 индукционный ток направлен по часовой стрелке. По правилу правой руки, индукционный ток в катушке 2 направлен по часовой стрелке. Утверждение Д — верно.
Ответ: ГД
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 7.8k
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 |
|
1. |
1. |
|
2. силовые |
2. силовые |
|
3. |
3. |
|
4. работа |
4. работа |
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 5 мая 2022 года; проверки требуют 8 правок.
Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит:
Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.
— Сивухин Д. В. § 65. Правило Ленца // Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 268. — 688 с.
Правило сформулировано в 1833 году Э. Х. Ленцем. Позднее оно было обобщено на все физические явления в работах Ле Шателье (1884 год) и Брауна (1887 год), это обобщение известно как принцип Ле Шателье — Брауна.
Эффектной демонстрацией правила Ленца является опыт Элиу Томсона.
Физическая суть правила[править | править код]
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея при изменении магнитного потока 
, пронизывающего электрический контур, в нём возбуждается ток, называемый индукционным. Величина электродвижущей силы, ответственной за этот ток, определяется уравнением[1]:
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.
Ссылки[править | править код]
- Демонстрация правила Ленца на примере прибора Петраевского (видео)
Примечания[править | править код]
- ↑ Сивухин Д. В. § 64. Электромагнитная индукция // Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 265. — 688 с.
Направление индукционного тока в контуре зависит от того, увеличивается или уменьшается магнитный поток через этот контур.
Убедимся в этом на опыте с помощью прибора, изображённого на рисунке (1).
Рис. (1). Опыт № (1)
Узкая алюминиевая пластинка с двумя алюминиевыми кольцами на концах (одно — сплошное, другое — с разрезом) находится на стойке и может свободно вращаться вокруг вертикальной оси.
Попытаемся внести полосовой магнит северным полюсом в сплошное кольцо (рис. (1)). Оно уходит от магнита, как будто отталкивается от него, поворачивая при этом всю пластинку. Повторим эксперимент, будем подносить магнит к кольцу южным полюсом. Результат будет точно таким же. Кольцо оттолкнется. Если подносить магнит к кольцу с прорезью, то ничего не произойдет. Замена полюса магнита изменений тоже не вносит.
Данное явление можно объяснить следующим образом:
при приближении магнита к кольцу без прорези возрастает магнитный поток сквозь площадь кольца. Так как кольцо замкнуто, то в нем возникает индукционный ток.
В кольце с разрезом ток циркулировать не может.
Ток в сплошном кольце создаёт магнитное поле, поэтому кольцо приобретает свойства магнита. Кольцо отталкивается от магнита. Значит, кольцо и магнит обращены друг к другу одноименными полюсами, а векторы магнитной индукции их полей направлены в противоположные стороны.
Магнитное поле индукционного тока противодействует увеличению внешнего магнитного потока через кольцо.
Внося полосовой магнит, мы увеличиваем интенсивность магнитного поля, действующего со стороны магнита на кольцо. В кольце возникает магнитное поле, которое ослабляет поле полосового магнита, то есть направлено противоположно внешнему. Значит, ток в кольце будет направлен по часовой стрелке.
Направление индукционного тока в кольце определяется правилом правой руки.
Поменяем направление полосового магнита. Из кольца будем удалять магнит. Кольцо будет двигаться за магнитом. Получается, что кольцо притягивается к магниту.
Объяснение: притяжение возможно только в том случае, если кольцо и магнит обращены друг к другу разноименными полюсами. В этом случае направление векторов магнитной индукции магнитных полей кольца и магнита совпадают.
Магнитное поле, создаваемое индукционным током, поддерживает уменьшающийся магнитный поток через площадь кольца.
Убирая полосовой магнит из кольца, мы уменьшаем интенсивность магнитного поля, действующего со стороны магнита на кольцо. Магнитное поле кольца будет поддерживать поле полосового магнита, значит, сонаправлено внешнему магнитному полю. Поэтому, ток в кольце будет направлен против часовой стрелки.
Общее правило впервые сформулировал российский ученый Эмилий Христианович Ленц в (1834) году:
правило Ленца
Индукционный ток в замкнутом проводящем контуре принимает такое направление, что он ослабляет первопричину своего возникновения.
Источники:
Рис. 1. Опыт № 1. © ЯКласс.
В этой статье мы рассмотрим, что такое правило Ленца и какого его практическое применение. Это правило позволяет быстро определить направление индукционного тока. На самом деле, правило Ленца тесно связано с принципом сохранения энергии — об этом также читайте в этой статье.
Формулировка
Правило Ленца обычно формулируется следующим образом:
Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.
Википедия
Давайте расшифруем это предложение.
Давайте расшифруем это предложение. Давайте начнем с причины. Причиной протекания индукционного тока является изменяющийся поток магнитной индукции B через поверхность, охватываемую контуром, в котором должен протекать электрический ток.
Противодействие причине здесь заключается в том, что когда поток увеличивается, магнитное поле Bind, создаваемое индукционным током, направлено так, чтобы уменьшить поток. И наоборот, когда поток уменьшается, индуцированное магнитное поле направлено так, чтобы усилить поток. В общем, если поле B перпендикулярно плоской поверхности, охватывающей замкнутый проводник, то
Когда ФB уменьшается, то Вind параллельно В.
Когда ФB увеличивается, то Bind антипараллельно B.
В более общем случае необходимо задать условие для углов между этими векторами.
Как только мы установили, как направлен вектор магнитной индукции Bind (внутри контура), мы должны связать индукционный ток с этим вектором и определить его направление.
Пример правила Ленца в действии
Теперь мы покажем правило Ленца в действии; вот конкретный пример.
В магнитном поле, создаваемом прямолинейным проводником с током, имеется круговой контур (кольцо), лежащий в одной плоскости с проводником (рис. 2а.). Ток в прямолинейном проводнике течет вверх. В каком направлении будет течь электрический ток в кольце, если мы прижмем его к проводнику?
Ток в прямолинейном проводнике создает вокруг себя магнитное поле. Для определения направления вектора магнитной индукции в кольце мы используем хорошо известный метод правой руки. Мы располагаем большой палец так, как направлен электрический ток, а пальцы покажут нам магнитное поле, «оборачивающееся» вокруг этого электрического тока. Справа от проводника, где находится кольцо, линии поля идут «внутрь», как показано на рис. 2б.
Сближение кольца вызывает увеличение потока магнитного поля, проникающего через кольцо (увеличивается значение магнитной индукции B). Согласно правилу Ленца, ток в кольце должен протекать таким образом, чтобы вектор магнитного поля Bind, создаваемого этим током, был направлен противоположно вектору, вызывающему явление индукции B. То есть, вектор Bind направлен «в нашу сторону». (рис. 2в).
Снова применим правило правой руки. На этот раз мы укажем большим пальцем вектор индукции Bind, а остальные пальцы покажут нам направление индукционного тока. Он будет протекать против часовой стрелки.
Правило Ленца и закон сохранения энергии
То, что «скрывается» под правилом Ленца — это фундаментальный принцип сохранения энергии в физике. Вы узнаете об этом, прочитав данный подраздел.
Посмотрите на следующую экспериментальную установку (см. рисунок 3).
Для эксперимента подвесьте качели проводника в магнитном поле подковообразного магнита. Подковообразный магнит располагается так, чтобы северный полюс находился внизу, а южный — вверху. Вы подключаете проводник к амперметру вне магнитного поля, поэтому во всей цепи нет источника.
В эксперименте мы теперь перемещаем качели проводника в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, в нашем случае «из подковообразного магнита». Для перемещения качающегося проводника нужна сила F. Когда частицы движутся в магнитном поле, действует сила Лоренца, происходит разделение зарядов, а значит, и возникает индукционный ток. Это можно наблюдать по отклонению стрелки амперметра.
Для определения направления индукционного тока применяется правило левой руки. Большой палец указывает направление, в котором электроны перемещаются под действием силы F, т.е. «из подковы». Ваш указательный палец указывает направление магнитного поля, от северного к южному полюсу. Наконец, средний палец указывает направление, в котором электроны притягиваются силой Лоренца. На конце проводника, в сторону которого указывает ваш средний палец, образуется избыток электронов и это приводит к изменению направления тока.
Однако, в силу правила Ленца, точно в тот же момент должна действовать противодействующая сила F‘, направленная в противоположную сторону от причины F. Эта противодействующая сила создается индукционным током, который, так сказать, пытается восстановить исходное состояние.
Вы можете еще раз проверить направление силы F‘ с помощью правила левой руки. На этот раз большой палец указывает направление движения электронов. Итак, в проводнике, который перемещается под действием силы F внутри магнита , большой палец направлен в плоскость рисунка, а указательный палец снова направлен от северного полюса к южному. Затем средний палец указывает направление силы F’. Это направление согласуется с правилом Ленца и действует в направлении, противоположном направлению движения проводника. Чтобы проиллюстрировать это, мы провели эти рассуждения одно за другим. В реальном эксперименте, однако, все это происходит параллельно.
Можно также сравнить правило Ленца с поведением детей (аналог индукционного тока). Когда их родители (аналог причины) говорят им что-то, они сначала хотят сделать прямо противоположное. Если вы будете помнить об этой мнемонике, вы гарантированно не забудете правило Ленца.
Сохранение энергии для индукции также может быть соблюдено только с помощью правила Ленца.
Чтобы проверить это, вы можете провести следующий мысленный эксперимент. Если бы сила из F‘ была направлена в противоположную сторону, то есть равна силе F, раскачивание качелей ускорялось бы все больше и больше. И это без добавления дополнительной энергии извне. Таким образом, можно было бы создать вечный двигатель, что противоречит закону сохранения энергии.
Применение
Правило Ленца необходимо для многих применений в технике. Например, в вихретоковом тормозе. Этот тормоз не изнашивается, поскольку отсутствует трение. Тормозная сила генерируется магнитными полями. Например, такие тормоза есть у поездов и грузовиков. Электродвигатели также работают по этому принципу.
Правило Ленца защитит вас, даже если в вашу машину ударит молния. Клетка Фарадея также основана на этом принципе.
Все металлодетекторы, которые вы знаете по аэропортам или магазинам, работают одинаково. Они генерируют магнитное поле с помощью катушки. Если в магнитном поле находится металлический предмет, в нем индуцируются вихревые токи. Согласно правилу Ленца, эти токи направлены таким образом, что противодействуют причине возникновения тока. Поэтому магнитное поле детектора становится слабее. Это также уменьшает ток в металлодетекторе, эта разница измеряется, что приводит, например, к сигналу тревоги.
Металлодетекторы также используются в некоторых светофорах, только здесь катушка расположена в асфальте под машинами. Таким образом, светофор, так сказать, замечает, что автомобиль ждет, и по возможности переключает его на зеленый. Как видите, правило Ленца важно для многих областей электротехники, а также в повседневной жизни.
Список использованной литературы
- Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
- Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
- Сивухин Д. В. § 64. Электромагнитная индукция // Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 265. — 688 с.
