Вихревое электрическое поле. Правило Ленца

Определения и обозначения

Вихревое электрическое поле — электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля и имеющее замкнутые силовые линии. Оно действует на заряды даже там, где нет проводника. Это понятие помогает объяснить появление тока без подключения батареи.

Индукционный ток — ток в замкнутом проводящем контуре, возникающий под действием вихревого электрического поля. Поле заставляет свободные электроны двигаться направленно. Поэтому ток можно обнаружить только при наличии замкнутого пути для зарядов.

Электромагнитная индукция — возникновение электрического поля и тока при изменении магнитного потока через контур. Магнитный поток показывает, сколько магнитного поля проходит через выбранную поверхность. Это явление лежит в основе работы генераторов и трансформаторов.

Правило Ленца — правило определения направления индукционного тока: его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Сначала выясняют, увеличивается поток или уменьшается, а затем выбирают направление поля индукции. После этого по правилу правой руки находят направление тока.

Как это устроено

Когда магнитное поле меняется, оно создаёт вокруг себя электрическое поле. Для этого не нужны электрические заряды и проводник: источником поля является именно изменение магнитного поля. Если магнит неподвижен относительно контура и его поле не меняется, такого воздействия нет.

Силовые линии вихревого поля замкнуты, потому что они не начинаются на положительных зарядах и не заканчиваются на отрицательных. Поле как бы «обходит» изменяющееся магнитное поле по замкнутым линиям. Поэтому работа вихревого поля по замкнутому контуру не равна нулю: поле может сообщать зарядам энергию на всём пути.

Если поместить в вихревое поле проводник, оно начнёт действовать на свободные электроны металла. Электроны получают направленное движение, а в замкнутой цепи это движение становится индукционным током. В разомкнутом проводнике заряды лишь перераспределяются, создавая напряжение между концами.

Величина тока зависит от того, насколько быстро меняется магнитный поток. Быстрое движение магнита или контура вызывает более сильное вихревое поле и больший ток. При прочих равных условиях ток также увеличивается с площадью контура и уменьшается при большем сопротивлении проводника.

Направление тока находят по правилу Ленца. Если магнитный поток через контур возрастает, поле индукционного тока направлено так, чтобы ослабить это возрастание; если поток уменьшается, оно старается его сохранить. Определив направление магнитного поля индукции, направление тока находят правилом правой руки для катушки или кольца.

Сравнение электростатического и вихревого электрического поля

Сравнивать поля удобно сначала по причине возникновения, а затем по форме силовых линий. Главный признак вихревого поля — замкнутые линии и ненулевая работа по замкнутому контуру. Последние две строки помогают понять, почему для индукционного тока нужен изменяющийся поток, а для электростатического поля — заряды.

Разбор задач

Приближение северного полюса магнита к кольцу

Условие: северный полюс магнита приближают к замкнутому проводящему кольцу. Нужно определить направление индукционного тока. Рассматриваем вид со стороны магнита.

1. Приближение магнита увеличивает магнитный поток через кольцо, направленный от северного полюса к кольцу.
2. По правилу Ленца кольцо должно создать поле, направленное навстречу этому увеличению.
3. Ближайшая к магниту сторона кольца становится северным полюсом и отталкивает приближающийся северный полюс.
4. По правилу правой руки ток при взгляде со стороны магнита идёт против часовой стрелки.

Ответ: ближайшая сторона кольца — северный полюс, ток направлен против часовой стрелки при взгляде со стороны магнита.

Удаление магнита от катушки

Условие: магнит удаляют от замкнутой катушки. Требуется определить полюс ближайшего торца и направление тока. Пусть от катушки удаляется северный полюс магнита.

1. При удалении магнитный поток через катушку уменьшается.
2. Индукционное поле должно поддержать уменьшающийся поток и быть направлено так же, как поле удаляемого магнита.
3. Ближайший торец катушки становится южным полюсом, поэтому он притягивает удаляющийся северный полюс.
4. Если смотреть со стороны магнита, ток в катушке идёт по часовой стрелке, создавая южный полюс.

Ответ: ближайший торец — южный, а ток при взгляде со стороны магнита направлен по часовой стрелке. Для удаляемого южного полюса выводы будут противоположными.

Быстрое и медленное введение магнита

Условие: один магнит быстро, а другой раз медленно вводят в одинаковые замкнутые катушки. Нужно сравнить индукционные токи. Сопротивление, форма и число витков катушек одинаковы.

1. В обоих опытах магнитный поток изменяется в одном направлении и примерно на одну величину.
2. При быстром движении тот же поток изменяется за меньшее время, поэтому скорость его изменения больше.
3. Вихревое электрическое поле при быстром изменении сильнее и сообщает зарядам большую скорость направленного движения.

Ответ: при быстром введении магнита индукционный ток больше. После остановки магнита ток исчезнет, даже если магнитное поле внутри катушки останется сильным.

Типичные ошибки

Считают, что индукционный ток возникает при постоянном магнитном поле. Ошибка появляется из-за смешения сильного поля с изменяющимся полем; проверьте, меняется ли магнитный поток через контур.

Путают направление тока с направлением поля внешнего магнита. Нужно определить не само поле, а его изменение: при росте потока поле индукции направлено против внешнего, при уменьшении — согласно ему.

Применяют правило Ленца к разомкнутой цепи как к источнику тока. В разомкнутом контуре может быть напряжение, но непрерывного тока нет; проверьте, образует ли проводник замкнутый путь.

Изображают силовые линии вихревого поля незамкнутыми. Так поступают, когда его принимают за электростатическое; вспомните причину возникновения поля и нарисуйте линии вокруг области меняющегося магнитного поля.

Связь с другими темами

Перед изучением нужны знания о магнитном поле тока, магнитной индукции, магнитном потоке и правиле правой руки. Новая тема объясняет работу генераторов, трансформаторов и индукционных устройств, а также торможение вихревыми токами. Далее она переходит в закон электромагнитной индукции и помогает понять принцип действия электрических машин.

Что запомнить

• Изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле.
• Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты.
• В замкнутом проводнике вихревое поле вызывает индукционный ток.
• Индукционный ток возникает только при изменении магнитного потока.
• Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца.
• Индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, а не обязательно самому магнитному полю.
• Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше индукционный ток при прочих равных условиях.