Правило Ленца

Правило Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Закон Фарадея: ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром.

Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом 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.

При возрастании магнитного потока Ф>0, а ε_инд<0, т.е. ЭДС индукции вызывает ток такого направления, при котором его маг­нитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

При уменьшении магнитного потока Ф<0, а ε_инд>0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

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

: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке.

На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

Электромагнитная индукция. Правило Ленца

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.

Формула магнитного потока

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 СИ принят 1 вебер (Вб). Магнитный поток, равный 1 Вб, может быть создан в плоском контуре площадью 1 м2 под воздействием магнитного поля с индукцией 1 Тл, которое пронизывает контур по направлению нормали.

1 Вб=1 Тл·м2

Закон Фарадея

Изменение магнитного потока приводит к тому, что в проводящем контуре возникает ЭДС индукции δинд. 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:

δинд=-∆Φ∆t

Правило Ленца

Определение 2

Согласно результатам опытов, индукционный ток, который возникает в замкнутом контуре в

Правило Ленца — это… Что такое Правило Ленца?

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

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 изменение 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

Примечания

1. ↑ Сивухин Д. В. § 64. Электромагнитная индукция // Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 265. — 688 с.

Направление индукционного тока. Правило Ленца — урок. Физика, 9 класс.

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.

 

 

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. Оно уходит от магнита, как будто отталкивается от него, поворачивая при этом всю пластинку. Тот же результат получим, если вносить магнит южным полюсом. Если же вносить магнит любым полюсом в кольцо с разрезом, кольцо и вся пластинка останутся на месте.

 

Объясним наблюдаемые явления.

При приближении к сплошному кольцу любого полюса магнита проходящий сквозь кольцо магнитный поток увеличивается. При этом в сплошном кольце 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.

При увеличении внешнего магнитного потока в кольце возникает индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле противодействует увеличению внешнего магнитного потока.

Зная направление вектора индукции магнитного поля кольца, можно по правилу правой руки определить направление индукционного тока в кольце.

Проведём обратный опыт. Удерживая кольцо рукой, внесём в него магнит. Отпустив кольцо, начнём удалять магнит. В этом случае кольцо будет следовать за магнитом, притягиваясь к нему.

Объяснение: кольцо и магнит обращены друг к другу разноименными полюсами. Векторы магнитной индукции их полей направлены в одну сторону.

 

 

Магнитное поле тока будет противодействовать уменьшению внешнего магнитного потока через кольцо.

При уменьшении внешнего магнитного потока в кольце возникает индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле противодействует уменьшению внешнего магнитного потока.

Эти правила можно объединить в одно.

Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которое вызвало этот ток.

Это правило впервые сформулировал российский ученый Эмилий Христианович Ленц в \(1834\) году (правило Ленца).

Закон Ленца в физике

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 ), 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

Правило Ленца

Определение 1

Э.Х.Ленц предложил правило (закон), который позволяет найти направление индукционного тока. В его формулировке он таков: «Если металлический проводник передвигается вблизи гальванического тока или вблизи магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, которое вызвало бы движение покоящегося провода в направлении, прямо противоположном направлению движения, навязанного здесь проводу извне, в предположении, что находящийся в покое провод может двигаться только в направлении этого последнего движения или в прямо противоположном».

Определение 2

В настоящее время правило Ленца формулируют короче: «Направление индукционного тока таково, что его действие противоположно действию причины его вызывающей». Или: Токи индукции, которых появляются в проводнике в результате их движения в постоянном магнитном поле имеют такое направление, при котором пондемоторные силы магнитного поля, которые испытывают эти проводники, препятствуют движению проводников.

Это правило соблюдается во всех случаях возникновения индукции.

Рисунок 1.

Допустим, что индукция возникает в контуре (2) при его перемещении в магнитном поле контура с током (1) (рис.1). При этом появляется индукционный ток, имеющий такое направление, что сила взаимодействия с контуром (1) противодействует движению контура. Если контур (2) приближать к контуру (1), появляется ток $I_2’$, при этом магнитный момент этого тока направлен против поля тока $I_1$. На контур (2) действует сила, которая отталкивает его от контура (1). Если контур (2) удалять от контура (1) в контуре (2) возникнет ток $I^{»}_2,$ направление его момента совпадет с полем тока $I_1$, следовательно, сила, которая действует на контур (2) притягивает его к контуру (1).

Допустим, что оба контура неподвижны, в контуре (1) течет переменный ток $I_1$, изменения которого вызывает появление тока $I_2$. Направление тока во втором конуре таково, что создаваемый этим током магнитный поток $(Ф)$ стремится ослабить изменения внешнего потока, который ведет к возникновению индукционного тока. При увеличении тока $I_1$ увеличивается внешний магнитный поток, который направлен вправо, появляется ток $I_2’$, который создает поток, направленный влево (рис.1).

В случае если ток $I_1$ уменьшается, в контуре (2) появляется ток $I^{»}_2,$ магнитный поток которого направлен так же, как внешний поток, дополнительный магнитный поток поддерживает внешний поток без изменений.

Правило Ленца и закон сохранения энергии

Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии. Индукционные токи, как и любые другие, производят работу. Например, если замкнутый проводник движется в магнитном поле, внешними силами должна быть выполнена дополнительная работа, так как индукционные токи взаимодействуют с магнитным полем, порождая силы, которые направлены противоположно движению.

Пример 1

Задание: Укажите направление индукционного тока, который возникает в контуре а) если магнит приближать к контуру; b) при удалении магнита от контура (рис.2). Объясните, как взаимодействуют магнит и виток с током в случаях a) и b).

Рисунок 2.

Решение:

Когда мы приближаем к контуру северный полюс магнита $(N)$, то на контуре возникает тоже северный магнитный полюс. Когда мы удаляем от контура северный полюс магнита, то на контуре возникает южный полюс. При этом одноименные полюса магнита отталкиваются, а разноименные притягиваются. Значит, когда возникает индукционный ток в контуре при приближении магнита к контуру, то силы взаимодействия между магнитом и индукционным током отталкивают магнит от витка, а в случае возникновения тока в контуре при удалении магнита, то виток с индукционным током и магнит притягиваются.

В соответствии с правилом Ленца, направления токов будут иметь направления, указанные на рис.3.

Рисунок 3.

Пример 2

Задание: Прямолинейный проводник длины $l$ движется параллельно самому себе в магнитном поле. Этот проводник может входить в состав замкнутой цепи, остальные части которой неподвижны. Найдите ЭДС, которая возникает в проводнике, укажите направление индукционного тока.

Решение:

Рисунок 4.

Обозначим через $v$ мгновенную скорость движения проводника, $dt$ — время движения проводника, тогда проводник опишет площадь равную:

\[dS=lvdt\ \left(2.1\right).\]

За время $dt$ проводник пересечет все линии магнитной индукции, которые проходят через площадь $dS$. Изменение магнитного потока, следовательно, можно записать как:

\[dФ=B_nlvdt\ \left(2.2\right),\]

где $B_n$ — составляющая магнитной индукции, которая перпендикулярна к площадке $dS$. Используя закон Фарадея, получим:

\[{{\mathcal E}}_i=-\frac{dФ}{dt}={-B}_nlv.\]

Направление индукционного тока и знак ЭДС определяется правилом Ленца. Ток направлен так, что механическая сила, действующая на проводник, противоположна скорости.

Ответ: ${{\mathcal E}}_i={-B}_nlv.$

Правило Ленца

Дата публикации: 27 февраля 2015.
Категория: Электротехника.

В 1834 году русский академик Э. Х. Ленц, известный своими многочисленными исследованиями в области электромагнитных явлений, дал универсальное правило для определения направления индуктированной электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. Это правило, известное как правило Ленца, может быть сформулировано так:

Направление индуктированной ЭДС всегда таково, что вызванный ею ток и его магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктированную ЭДС.

Справедливость формулировки правила Ленца подтверждается следующими опытами:

Рисунок 1. Противодействие проводника с индуктированным током своему движению

1. Если расположить проводник в магнитном поле так, как показано на рисунке 1, то при движении вниз проводник будет пересекать это магнитное поле. Тогда в проводнике индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по правилу правой руки. В нашем случае направление индуктированной ЭДС, а стало быть и тока будет «к нам». Посмотрим теперь, как будет вести себя наш проводник с током в магнитном поле. Из предыдущих статей нам известно, что проводник с током из магнитного поля будет выталкиваться. Направление выталкивания определяется по правилу левой руки. В нашем случае сила выталкивания направлена вверх. Таким образом, индуктированный ток, взаимодействуя с магнитным полем, мешает движению проводника, то есть противодействует причине, которая его вызвала.

2. Для опыта соберем цепь, показанную на рисунке 2. Опуская постоянный магнит в катушку (северным полюсом вниз), заметим отклонение стрелки гальванометра. Опыт показывает, что направление индуктированного тока в катушке будет такое, как показано стрелками на рисунке 2, а. Пусть ему соответствует отклонение стрелки влево от среднего нулевого положения. Следовательно, катушка как бы превратилась в соленоид и указанное направление тока создает наверху ее северный полюс, а внизу – южный. Так как одноименные полюса магнита и соленоида будут отталкиваться, то индуктированный ток в катушке будет мешать движению постоянного магнита, то есть будет противодействовать причине, которая его вызвала.

Рисунок 2. Противодействие соленоида движению магнита:
а – вниз, б — вверх

Если мы будем вынимать постоянный магнит из катушки, то стрелка гальванометра отклонится вправо (рисунок 2, б). Этому отклонению стрелки гальванометра, как показывает опыт, соответствует направление индуктированного тока, показанное стрелками на рисунке 2, б, и противоположное направлению тока на рисунке 2, а.

Определяя полюса катушки по «правилу буравчика», найдем, что южный полюс будет теперь наверху катушки, а северный внизу. Разноименные полюса магнита и соленоида, притягиваясь, будут тормозить движение магнита. Значит, индуктированный ток опять будет противодействовать причине, которая его вызвала.

Рисунок 3. Возникновение индуктированного тока II: а – в момент замыкания цепи I, б – в момент размыкания цепи

3. Замыкая цепь I (рисунок 3, а), пропустим ток по проводнику АБ. Направление тока показано на рисунке стрелками. Магнитное поле проводника АБ, созданное появившимся током, распространяясь во все стороны, будет пересекать проводник ВГ, и в цепи II возникает индуктированная ЭДС. Поскольку цепь II замкнута на гальванометр, в ней появится ток. Гальванометр в этом случае включен также, как и в предыдущем опыте.

Стрелка гальванометра, отклонившись влево, покажет, что ток через прибор идет сверху вниз. Сравнивая направление токов в проводниках АБ и ВГ, мы видим, что токи их направлены в разные стороны.

Как мы уже знаем, проводники, токи в которых направлены в разные стороны, отталкиваются один от другого. Поэтому проводник ВГ с индуктированным током будет стремиться оттолкнуться от проводника АБ (так же, как и проводник АБ от ВГ), устранить влияние поля проводника АБ и тем самым препятствовать причине, вызвавшей индуктированный ток.

Индуктированный ток в цепи II будет проходить непродолжительное время. Как только магнитный поток проводника АБ установится, прекратится пересечение проводника ВГ магнитным полем проводника АБ, ток в цепи II пропадет.

При размыкании цепи I исчезающий ток вызовет уменьшение магнитного поля, индукционные линии которого, пересекая проводник ВГ, создадут в нем индуктированный ток того же направления, что и в проводнике АБ (рисунок 3, б).

Нам известно, что проводники, в которых ток идет в одном направлении, притягиваются один к другому. Поэтому проводник ВГ будет стремиться протянуться к проводнику АБ, чтобы поддержать его убывающее магнитное поле.

Рисунок 4. Алюминиевое кольцо, свободное надетое на стальной сердечник катушки, подскакивает вверх в момент включения тока

4. Для следующего примера возьмем катушку, имеющую круглый сердечник, набранный из нарубленной стальной проволоки, на который свободно надето легкое алюминиевое кольцо (рисунок 4). В момент замыкания цепи по обмотке катушки начинает проходить электрический ток, создающий магнитное поле, индукционные линии которого, пересекая алюминиевое кольцо, индуктируют в нем ток. В момент включения катушки в алюминиевом кольце возникает индуктированный ток, направленный обратно току в витках катушки. Проводники имеющие разное направление индукционного тока отталкиваются. Поэтому в момент включения катушки алюминиевое кольцо подскакивает вверх.

Нам теперь известно, что при всяком изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур, в нем появляется индуктированная ЭДС, определяемая равенством:

Выражение в данной формуле представляет собою среднюю скорость изменения магнитного потока по времени. Чем меньше промежуток времени Δt, тем меньше вышеуказанная ЭДС отличается от ее действительного значения в данный момент времени. Знак минус, стоящий перед выражением , показывает направление индуктированной ЭДС, то есть учитывает правило Ленца.

При увеличении магнитного потока выражение будет положительным, а ЭДС – отрицательной. В этом и заключается правило Ленца: ЭДС и созданный ею ток противодействуют причине, которая их вызвала.

При равномерном изменении во времени магнитного потока выражение будет постоянно. Тогда абсолютное значение ЭДС в проводнике будет равно:

Размерность магнитного потока будет:

[Ф] = [e × t] = В × сек или вебер.

Если мы имеем не один проводник, а катушку, состоящую из w витков, то величина индуктированной ЭДС будет:

Произведение числа витков катушки на сцепленный с ними магнитный поток называется потокосцеплением катушки и обозначается буквой ψ. Поэтому закон электромагнитной индукции можно записать и в другой форме:

Источник: Кузнецов М.И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.