2. Правило Ленца

Определения и обозначения

Индукционный ток — ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока через него. Контур — это замкнутый путь, по которому могут двигаться электрические заряды. Определение помогает отличить индукционный ток от тока, который создаёт батарейка или другой источник.

Магнитный поток — величина, характеризующая магнитное поле, пронизывающее поверхность контура. Для этой темы достаточно следить, увеличивается поток или уменьшается. Это позволяет понять, какое изменение должен компенсировать индукционный ток.

Индукционное магнитное поле — магнитное поле, создаваемое индукционным током. Оно появляется вместе с током и влияет на магнитный поток через контур. Определив направление этого поля, можно перейти к поиску направления самого тока.

Правило Ленца — правило определения направления индукционного тока: его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему ток. Иначе говоря, оно мешает потоку меняться так, как он менялся бы без индукционного тока. Это правило помогает найти направление тока, даже если его величина неизвестна.

Как это устроено

Индукционный ток возникает, если магнитный поток через замкнутый контур меняется. Например, поток меняется, когда магнит приближают к витку или удаляют от него, а также когда усиливают или ослабляют внешнее поле. Изменение вызывает появление тока, потому что в контуре возникает электрическое воздействие, заставляющее заряды двигаться. Если поток остаётся неизменным, такого воздействия, связанного с его изменением, нет.

У индукционного тока есть собственное магнитное поле. Поэтому о направлении тока удобно рассуждать не напрямую, а сначала определить направление созданного им поля. Это поле накладывается на внешнее магнитное поле и влияет на поток через контур. Его направление выбирается не случайно: оно связано с изменением, которое вызвало ток.

Если внешний магнитный поток увеличивается, индукционное поле направлено так, чтобы препятствовать увеличению. Представьте северный полюс магнита, приближающийся к витку: поток через виток растёт. Ближняя к магниту сторона витка становится северным полюсом и отталкивает магнит, мешая его приближению. Так проявляется противодействие изменению, а не просто внешнему магнитному полю.

Если внешний поток уменьшается, индукционное поле стремится поддержать его. Например, при удалении магнита поток через виток становится слабее, поэтому виток притягивает магнит и мешает его удалению. В этой ситуации индукционное поле может быть направлено так же, как внешнее поле. Оно противодействует уменьшению потока, а не направлению самого внешнего поля.

Чтобы найти направление тока, действуйте последовательно. Сначала определите направление внешнего поля и установите, растёт поток или падает; затем выберите направление индукционного поля, которое противодействует этому изменению. После этого примените правило правой руки: согнутые пальцы направьте по току в витке, а большой палец покажет направление поля внутри него. Если известное направление поля задано, примените это правило наоборот.

Направление индукционного тока по правилу Ленца

Сначала выберите строку по тому, как меняется поток, а затем прочитайте направление индукционного поля. Для определения тока понадобится дополнительный шаг — правило правой руки. В таблице направление «по внешнему полю» относится к ситуации, когда поток уменьшается.

Разбор задач

Магнит приближают к витку

Условие. Северный полюс магнита приближают к замкнутому витку. Нужно определить полюс витка со стороны магнита и направление тока при наблюдении со стороны магнита.

1. Поле северного полюса направлено от него, поэтому при приближении магнита поток через виток возрастает. Установили знак изменения потока — он увеличивается.

2. По правилу Ленца виток должен препятствовать этому увеличению. Значит, его ближняя к магниту сторона становится северным полюсом и отталкивает приближающийся северный полюс.

3. Применяем правило правой руки: если смотреть на виток со стороны магнита, ток против часовой стрелки создаёт поле, направленное к наблюдателю. Эта сторона витка и будет северной.

Ответ: со стороны магнита виток — северный полюс; ток идёт против часовой стрелки.

Магнит удаляют от витка

Условие. Северный полюс магнита удаляют от витка. Требуется определить полюс витка со стороны магнита и направление тока, наблюдая со стороны магнита.

1. При удалении магнита поток через виток уменьшается. Направление внешнего поля через виток остаётся прежним, но его вклад становится слабее.

2. Индукционное поле должно поддержать уменьшающийся поток, поэтому оно направлено по внешнему полю. Ближняя к северному полюсу сторона витка становится южной и притягивает магнит, мешая его удалению.

3. Смотрим со стороны магнита и применяем правило правой руки. Ток по часовой стрелке создаёт поле, направленное от наблюдателя внутрь витка, то есть к южной стороне.

Ответ: со стороны магнита виток — южный полюс; ток идёт по часовой стрелке.

Внешнее поле усиливают и ослабляют

Условие. Виток находится в однородном магнитном поле, направленном перпендикулярно его плоскости. Поле сначала усиливается, затем ослабевает. Нужно определить направление индукционного поля и тока в обоих случаях.

1. При усилении внешнего поля поток через виток увеличивается. Поэтому индукционное поле направлено против внешнего поля и препятствует росту потока.

2. При ослаблении поля поток уменьшается. Индукционное поле направлено по внешнему полю, чтобы поддерживать поток, который становится слабее.

3. Направление тока находят отдельно для каждого случая по правилу правой руки. Если внешнее поле направлено к наблюдателю, то при усилении ток идёт по часовой стрелке, а при ослаблении — против часовой; если поле направлено от наблюдателя, направления тока будут обратными.

Ответ: при усилении индукционное поле направлено против внешнего, при ослаблении — по внешнему. Направление тока зависит от того, куда направлено внешнее поле относительно наблюдателя.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что индукционное поле всегда направлено против внешнего поля. Так думают, потому что смешивают внешнее поле и изменение потока. Проверьте себя: при уменьшении потока индукционное поле поддерживает его и может совпадать с внешним.

Ошибка: выбирать направление тока, не выяснив, растёт поток или падает. Одно и то же направление внешнего поля приводит к разным выводам при увеличении и уменьшении потока. Сначала назовите изменение потока словами, и только затем применяйте правило Ленца.

Ошибка: путать направление магнитного поля витка с направлением тока. Поле направлено вдоль оси витка, а ток течёт по его контуру, поэтому это разные направления. Проверьте связь с помощью правила правой руки: пальцы показывают ток, большой палец — поле внутри витка.

Ошибка: указывать ток как идущий по или против часовой стрелки, не называя сторону наблюдения. При взгляде с противоположной стороны тот же ток выглядит направленным наоборот. Всегда уточняйте, откуда смотрите на виток, прежде чем записывать направление.

Связь с другими темами

Для применения правила Ленца нужно знать, что такое магнитное поле и магнитная индукция, а также понимать, что магнитный поток характеризует поле через поверхность контура. Ещё понадобится правило правой руки, связывающее направление тока с направлением магнитного поля. Правило Ленца уточняет, какое поле создаёт индукционный ток при изменении потока. Оно помогает объяснить электромагнитную индукцию, действие генераторов и возникновение сил, мешающих движению проводника в магнитном поле.

Что запомнить

• Индукционный ток возникает при изменении магнитного потока через замкнутый контур.
• Направление индукционного тока определяют по правилу Ленца.
• Магнитное поле индукционного тока противодействует изменению потока, вызвавшему ток.
• При увеличении потока индукционное поле препятствует его увеличению.
• При уменьшении потока индукционное поле поддерживает его.
• После определения индукционного поля направление тока находят по правилу правой руки.