§ 31. Направление индукционного тока. Правило Ленца

Определения и обозначения

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. Магнитный поток характеризует, сколько магнитного поля проходит через ограниченную контуром поверхность. Направление индукционного тока зависит от того, почему и как меняется поток.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока: созданное им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, которое вызвало ток. Нужно учитывать именно изменение потока, а не только направление внешнего магнитного поля. Это правило помогает предсказать направление тока до его непосредственного измерения.

Индукционное магнитное поле — поле, создаваемое индукционным током. Его направление таково, чтобы препятствовать изменению магнитного потока через контур. По направлению этого поля можно определить, в какую сторону течёт ток.

Правило правой руки для витка связывает направление тока в витке с направлением его магнитного поля. Если большой палец правой руки направить вдоль поля внутри витка, согнутые пальцы покажут направление тока. Правило используют и в обратном порядке, когда направление тока известно, а поле нужно определить.

Как это устроено

Когда магнитный поток через замкнутый контур меняется, возникает индукционный ток. Например, поток может измениться, если переместить магнит или катушку либо изменить силу магнитного поля. Изменение потока создаёт условия для возникновения тока, а замкнутость контура позволяет зарядам двигаться по нему. Если поток остаётся постоянным, сам по себе он ток не поддерживает.

Чтобы выяснить направление тока, сначала определяют направление исходного магнитного поля и сравнивают поток через контур в разные моменты. Поток может увеличиваться или уменьшаться, и эти случаи приводят к разным направлениям индукционного поля. Затем применяют правило Ленца: поле тока должно мешать происходящему изменению. Такой порядок рассуждений не позволяет перепутать направление тока с направлением внешнего поля.

При увеличении потока индукционное поле направлено против исходного поля. Например, если через виток становится больше линий магнитного поля в одном направлении, ток создаёт поле в противоположном направлении и мешает росту потока. При уменьшении потока индукционное поле направлено так же, как исходное. Оно поддерживает поток, который становится слабее, поэтому противодействует его уменьшению.

Установив направление индукционного поля, можно найти направление тока в витке по правилу правой руки. Большой палец направляют вдоль поля внутри витка, а согнутые пальцы показывают, куда течёт ток. Если вместо поля известен ток, пальцы правой руки сгибают по направлению тока: большой палец укажет направление поля. Так связываются два разных направления, которые легко спутать.

При движении магнита и катушки относительно друг друга меняется магнитный поток через катушку. Когда магнит приближается, поток обычно увеличивается; когда удаляется — уменьшается. Поэтому при смене движения меняется направление индукционного поля, а вместе с ним и направление тока. Перемещение самой катушки относительно неподвижного магнита приводит к тому же рассуждению: важно изменение потока, а не то, какой именно предмет движется.

Направление индукционного поля и тока при изменении магнитного потока

Сначала определите, меняется ли поток и в каком направлении; затем по правилу Ленца установите поле тока. Столбец о токе напоминает, что его направление находят через индукционное поле с помощью правила правой руки. В случаях с магнитом также важно учитывать, приближается он или удаляется.

Разбор задач

Северный полюс магнита приближают к замкнутому витку. Определите направление индукционного поля со стороны магнита и направление тока в витке.

Сначала выясним, как меняется поток, затем применим правило Ленца. У северного полюса магнитное поле направлено наружу от магнита, поэтому у витка оно направлено от магнита. При приближении магнита поток через виток увеличивается.

1. Определяем исходное поле: у витка оно направлено от северного полюса магнита.
2. Поток увеличивается, значит индукционное поле должно быть направлено против исходного — к магниту.
3. Со стороны магнита поле витка входит в его плоскость; большой палец правой руки направляем к магниту. Согнутые пальцы показывают направление тока.

Ответ: со стороны магнита индукционное поле направлено к магниту; ток течёт по часовой стрелке, если смотреть на виток со стороны магнита. Проверка: обращённая к магниту сторона витка становится северным полюсом и отталкивает приближающийся северный полюс.

Магнит удаляют от катушки. Определите, как направлено индукционное поле относительно поля магнита и изменится ли направление тока по сравнению с приближением.

При удалении магнита магнитный поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца ток создаёт поле, которое мешает этому уменьшению. Значит, индукционное поле направлено так же, как поле магнита через катушку.

1. Сравниваем ситуацию с приближением: теперь магнит удаляется, поэтому поток не растёт, а убывает.
2. Чтобы поддержать убывающий поток, индукционное поле направляем по исходному полю магнита.
3. По направлению этого поля с помощью правила правой руки находим ток. При сравнении с приближением поле и ток окажутся направлены противоположно.

Ответ: индукционное поле совпадает по направлению с полем магнита, а направление тока меняется на противоположное по сравнению с приближением. Если обращён к катушке северный полюс, ближняя сторона катушки становится южным полюсом и притягивает удаляющийся магнит.

Катушку перемещают относительно магнита, а затем меняют направление её движения. Объясните, как изменятся направление индукционного поля и направление тока.

Движение катушки относительно магнита тоже может менять магнитный поток через витки. Рассмотрим перемещение сначала к магниту, а затем от него: в первом случае поток обычно увеличивается, во втором — уменьшается. Направления поля и тока нужно находить последовательно для каждого случая.

1. При движении катушки к магниту определяем исходное направление магнитного поля и отмечаем увеличение потока.
2. По правилу Ленца направляем индукционное поле против исходного, затем правилом правой руки находим ток.
3. После смены направления движения поток начинает уменьшаться. Индукционное поле направляем по исходному полю, а направление тока определяем заново.

Ответ: при смене движения индукционное поле и ток меняют направления на противоположные, если из-за движения поток сначала увеличивался, а затем уменьшается. Если движение меняют не с приближения на удаление, а наоборот, принцип остаётся тем же: сравнивают изменение потока в каждом случае. Направление движения само по себе не заменяет проверку того, растёт поток или падает.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что индукционное поле всегда направлено против поля магнита. Так думают, потому что упрощают правило Ленца до «поле против поля». Но при уменьшении потока индукционное поле совпадает с исходным и поддерживает его. Проверь себя: сначала назови изменение потока — увеличение или уменьшение.

Ошибка: определять ток только по полюсу магнита, обращённому к катушке. Приближение и удаление одного и того же полюса дают разные изменения потока, поэтому приводят к противоположным направлениям тока. Это легко упустить, если смотреть только на полюс. Проверь, движется ли магнит к катушке или от неё.

Ошибка: путать направление поля катушки с направлением тока. Это разные направления, связанные правилом правой руки, а не совпадающие автоматически. Путаница возникает, когда неясно, что именно требуется найти. Сначала определи поле по правилу Ленца, затем отдельно найди ток по правилу правой руки.

Ошибка: применять правило Ленца при неизменном магнитном потоке. Правило используют для определения направления индукционного тока, но постоянный поток сам по себе его не вызывает. Часто путают наличие магнитного поля с его изменением. Проверь, меняется ли поток через контур; если он постоянен, индукционного тока нет.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, а направление поля витка связано с направлением тока. Правило Ленца опирается на явление электромагнитной индукции и понятие изменения магнитного потока. Оно пригодится при изучении индукционных токов, электромагнитной индукции и принципа действия электрических устройств. Например, понимание направления поля помогает объяснить, как меняется взаимодействие магнита и катушки при движении.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через него.
• Направление индукционного тока определяет правило Ленца.
• Индукционное поле препятствует изменению потока, а не обязательно направлено против исходного поля.
• При увеличении потока индукционное поле направлено против исходного.
• При уменьшении потока индукционное поле направлено по исходному.
• Направление тока в витке определяют по направлению его магнитного поля правилом правой руки.