§ 40 Направление индукционного тока. Правило Ленца

Определения и обозначения

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. Контуром может быть металлическое кольцо или витки катушки. Это понятие нужно, чтобы отличать ток, вызванный изменением магнитного поля, от тока обычного источника.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока: магнитное поле, созданное этим током, противодействует изменению магнитного потока. Иными словами, система стремится сохранить прежнее состояние. Правило позволяет установить направление тока без сложных вычислений.

Индукционное магнитное поле — магнитное поле, создаваемое индукционным током. По его направлению сначала определяют, какой полюс появляется у стороны кольца. Затем с помощью правила правой руки находят направление движения тока.

Магнитный поток характеризует магнитное поле, пронизывающее поверхность контура. Для направления тока важно, увеличивается поток или уменьшается и в каком направлении он выбран положительным. Само по себе постоянное магнитное поле индукционного тока не вызывает.

Как это устроено

Изменение магнитного поля через замкнутый контур вызывает индукционный ток, потому что меняющийся поток создаёт электрическое поле в проводнике. Это поле приводит свободные электроны в упорядоченное движение. Если поле через контур просто существует, но не меняется, индукционный ток не появляется.

Чтобы применить правило Ленца, сначала выясняют, увеличивается или уменьшается магнитный поток. Например, приближение магнита усиливает поле в области кольца, а удаление ослабляет его. Такой шаг нужен потому, что одинаковое внешнее поле при усилении и ослаблении требует противоположного индукционного поля.

Затем определяют, какое поле должно возникнуть, чтобы противодействовать изменению потока. При увеличении потока индукционное поле направляют навстречу внешнему изменению, поэтому оно ослабляет результат. При уменьшении потока поле направляют в ту же сторону, чтобы поддержать прежнее значение.

По направлению индукционного магнитного поля находят направление тока в контуре. Правило правой руки связывает эти направления: если большой палец показывает направление поля внутри кольца, согнутые пальцы показывают направление тока. При взгляде на торец контура против часовой стрелки ток создаёт поле к наблюдателю, а по часовой стрелке — от него.

При приближении и удалении магнита направление индукционного тока меняется, потому что изменяется характер изменения потока. У северного и южного полюсов также меняются стороны, которые должны возникнуть у кольца. Поэтому нельзя определить ток только по факту движения магнита: нужно учитывать его полюс и направление изменения потока.

Определение направления индукционного тока по правилу Ленца

Сначала найдите строку, описывающую изменение потока, а затем установите направление индукционного поля. Последний столбец переводит направление поля в направление движения тока. Если используется вращательное направление, обязательно укажите, с какой стороны рассматривается контур.

Разбор задач

Задача 1. К замкнутому кольцу приближают магнит северным полюсом. Определим, каким полюсом кольцо обращается к магниту и как направлен ток при наблюдении со стороны магнита. Нужно учесть, что поток магнитного поля северного полюса через кольцо увеличивается.

1. По правилу Ленца кольцо должно противодействовать увеличению потока.
2. Кольцо создаёт поле навстречу полю приближающегося магнита.
3. Его ближняя сторона становится северным полюсом и отталкивает северный полюс магнита.
4. Поле кольца направлено к наблюдателю, поэтому ток при взгляде со стороны магнита идёт против часовой стрелки.

Ответ: к магниту обращается северный полюс кольца. Если смотреть со стороны магнита, ток идёт против часовой стрелки. Такое поле мешает потоку увеличиваться.

Задача 2. Магнит удаляют от кольца северным полюсом, обращённым к нему. Требуется найти направление индукционного тока со стороны магнита. При удалении поток ослабевает, поэтому кольцо должно его поддерживать.

1. Индукционное поле направляют так же, как поле удаляющегося магнита.
2. Ближняя сторона кольца становится южным полюсом и притягивает северный полюс магнита.
3. Поле кольца направлено от наблюдателя.
4. По правилу правой руки ток при взгляде со стороны магнита идёт по часовой стрелке.

Ответ: кольцо обращается к магниту южным полюсом. Ток виден по часовой стрелке со стороны магнита. Он поддерживает уменьшающийся магнитный поток.

Задача 3. Кольцо находится в поле, перпендикулярном его плоскости, и поле усиливается. Пусть внешнее поле направлено к наблюдателю. Нужно определить ток, а затем выяснить, что произойдёт при ослаблении поля.

1. При усилении поток к наблюдателю увеличивается.
2. Индукционное поле должно быть направлено от наблюдателя, то есть противоположно увеличивающемуся потоку.
3. Ток при взгляде со стороны наблюдателя идёт по часовой стрелке.
4. Если поле начнёт ослабевать, индукционное поле направится к наблюдателю, чтобы поддержать поток.
5. В этом случае ток изменит направление на противоположное — станет идти против часовой стрелки.

Ответ: при усилении поля ток идёт по часовой стрелке со стороны наблюдателя. При ослаблении внешнего поля направление поля и тока меняется на противоположное. Причина — смена характера изменения магнитного потока.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что индукционное поле всегда направлено против внешнего поля. Так думают, потому что правило Ленца часто применяют к усиливающемуся полю. Проверьте себя: спросите, поток увеличивается или уменьшается, ведь при уменьшении поля индукционное поле совпадает с внешним.

Ошибка 2. Определять ток только по приближению или удалению магнита. Направление зависит ещё и от того, северный или южный полюс обращён к контуру. Для проверки назовите ближний полюс и решите, должен контур отталкивать магнит или притягивать его.

Ошибка 3. Путать увеличение потока с уменьшением. Из-за этого выбирают неверное направление индукционного поля. Проверьте, становится ли поле через контур сильнее или слабее, и только после этого применяйте правило Ленца.

Ошибка 4. Указывать направление тока без стороны наблюдения. При взгляде с противоположной стороны движение по часовой стрелке выглядит движением против часовой стрелки. Поэтому в ответе всегда добавляйте, откуда рассматривается контур.

Связь с другими темами

До этой темы нужно знать магнитное поле постоянного магнита и проводника с током, а также правило правой руки. Эти знания связывают направление тока с направлением создаваемого им поля.

Также нужны условия возникновения электромагнитной индукции: ток появляется в замкнутом контуре при изменении магнитного потока. Без этого правила Ленца нельзя понять причину появления направленного тока.

Тема пригодится при изучении генераторов, где механическое движение создаёт электрический ток, и самоиндукции, возникающей при изменении тока в собственной цепи.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него.
• Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца.
• Индукционное магнитное поле противодействует изменению магнитного потока.
• Сначала выясняют, увеличивается поток или уменьшается, и только затем определяют направление тока.
• При изменении характера изменения потока направление индукционного тока меняется.
• Направление тока зависит от выбранной стороны наблюдения за контуром.