"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Правило Ленца помогает определить направление индукционного тока при изменении магнитного потока через замкнутый контур. Индукционный ток создаёт магнитное поле, которое противодействует не самому внешнему полю, а изменению потока: ослабляет его увеличение или препятствует уменьшению. По этому правилу можно понять направление тока в катушке, её взаимодействие с магнитом и связь электромагнитной индукции с законом сохранения энергии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. Магнитный поток показывает, сколько магнитного поля проходит через поверхность контура. Это определение нужно, чтобы связать появление тока не просто с наличием магнита, а именно с изменением поля через контур.
Индукционное магнитное поле — магнитное поле, создаваемое индукционным током. Оно появляется одновременно с током и имеет направление, которое можно определить по правилу Ленца. Понятие нужно для того, чтобы сначала установить направление поля, а затем найти направление тока по правилу правой руки.
Правило Ленца — направление индукционного тока таково, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему этот ток. Если поток возрастает, поле стремится ослабить его рост, а если убывает — поддержать прежнее значение. Поэтому правило позволяет определить направление тока без непосредственного расчёта силы тока.
Изменение магнитного потока означает, что магнитное поле через контур становится другим по величине или направлению. Из-за этого в проводнике возникает индукционная ЭДС, то есть сила, заставляющая заряды двигаться. Если контур замкнут, заряды начинают перемещаться по нему и появляется индукционный ток.
Движущиеся заряды создают собственное магнитное поле. Его направление не является случайным: оно определяется тем, растёт или уменьшается поток через контур. Так система препятствует причине, вызвавшей ток, потому что для создания или изменения магнитного поля требуется энергия.
При увеличении магнитного потока индукционное поле направлено противоположно внешнему полю. Такое поле уменьшает результирующий рост потока через контур. При уменьшении потока индукционное поле направлено согласно внешнему, поэтому оно старается сохранить прежнее магнитное действие.
Правило Ленца описывает противодействие именно изменению магнитного потока, а не самому магнитному полю. Поэтому нельзя автоматически говорить, что индукционный ток всегда направлен против внешнего поля. Сначала определяют характер изменения потока, затем направление индукционного поля и только после этого находят направление тока правилом правой руки.
Сначала определите, увеличивается или уменьшается поток в выбранном направлении. Затем установите направление индукционного поля и воспользуйтесь правилом правой руки. В последнем столбце таблицы поле понимается как поле внутри катушки или кольца.
| Изменение магнитного потока | Направление индукционного магнитного поля | Действие на изменение | Как определить направление тока |
|---|---|---|---|
| Поток увеличивается в выбранном направлении | Противоположно внешнему магнитному полю | Ослабляет увеличение потока | По правилу правой руки для заданного направления индукционного поля |
| Поток уменьшается в выбранном направлении | Совпадает с внешним магнитным полем | Препятствует уменьшению потока | По правилу правой руки для заданного направления индукционного поля |
Северный полюс постоянного магнита приближают к замкнутой катушке. Нужно определить полюс катушки на стороне магнита и направление индукционного тока. Считаем, что магнитное поле северного полюса направлено от магнита к катушке.
Ответ: на обращённой к магниту стороне катушки возникает северный полюс. Ток направлен так, чтобы при взгляде со стороны магнита он создавал северный полюс катушки.
Северный полюс магнита удаляют от замкнутой катушки. Требуется определить полюс катушки со стороны магнита и сравнить ток с первым случаем. При удалении магнитный поток, направленный от магнита к катушке, уменьшается.
Ответ: сторона катушки, обращённая к магниту, становится южным полюсом. При удалении магнита ток меняет направление, потому что характер изменения потока изменился с увеличения на уменьшение.
По длинному соленоиду проходит ток, создающий поле вдоль его оси, а рядом находится замкнутое кольцо. Ток соленоида сначала увеличивают, затем уменьшают. Нужно найти направление тока в кольце и характер его взаимодействия с соленоидом.
Ответ: при увеличении тока кольцо создаёт противоположное поле и отталкивается от соленоида. При уменьшении тока поле кольца поддерживает поле соленоида, поэтому кольцо притягивается. Направление тока в этих двух режимах противоположно.
Против внешнего поля всегда. Так считают, потому что запоминают только случай увеличения потока. Проверьте себя: при уменьшении потока индукционное поле должно совпадать с внешним.
Ориентируются только на движение магнита. Приближение обычно увеличивает поток, а удаление уменьшает его, но результат зависит от взаимного расположения и направления поля. Сначала мысленно определите число линий поля через контур.
Путают поле и ток. Направление магнитного поля катушки не совпадает с направлением тока в витках. Сначала задайте поле, затем обхватите катушку правой рукой и определите ток согнутыми пальцами.
Считают, что ток есть в разомкнутом контуре. Изменение потока действительно создаёт ЭДС, но разрыв не даёт зарядам двигаться по замкнутому пути. Проверка проста: выясните, образует ли проводник непрерывную цепь.
Для понимания правила Ленца нужны знания о магнитном поле тока, магнитном потоке, электромагнитной индукции и правиле правой руки. Эти темы дают язык для описания поля, потока и направления движения зарядов.
Правило Ленца используется при объяснении работы генераторов и трансформаторов. Оно также описывает появление вихревых токов в проводниках, находящихся в изменяющемся магнитном поле.
Далее правило помогает изучать самоиндукцию и индуктивность. Через противодействие изменению тока проявляется закон сохранения энергии в электромагнитных явлениях.
Почему индукционный ток противодействует изменению магнитного потока, а не самому магнитному полю?
Если бы ток усиливал изменение потока, энергия возникала бы без затраты энергии извне. Противодействие изменению соответствует закону сохранения энергии: для движения магнита или изменения тока приходится совершать работу.
Как определить, увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур?
Нужно оценить, меняется ли магнитное поле через площадь контура и как ориентирован контур относительно поля. Если число линий магнитного поля, пронизывающих контур, растёт, поток увеличивается; если уменьшается — поток убывает.
Почему при приближении и удалении магнита ток в катушке меняет направление?
При приближении магнита поток через катушку обычно увеличивается, поэтому катушка создаёт поле, ослабляющее это увеличение. При удалении поток уменьшается, и поле катушки поддерживает прежнее направление потока, поэтому ток меняет направление.
Как по направлению индукционного магнитного поля определить направление тока?
Обхватите катушку правой рукой так, чтобы отставленный большой палец указывал направление магнитного поля внутри катушки. Согнутые пальцы покажут направление тока во внешней части витков.
Возникает ли индукционный ток в разомкнутом контуре?
В разомкнутом контуре при изменении магнитного потока возникает индукционная ЭДС и разделение зарядов. Замкнутого тока нет, потому что цепь не образует непрерывного пути для движения зарядов.
§ 60. Правило Ленца
