Закон электромагнитной индукции, правило Ленца
В своих экспериментах физик Фарадей смог выявить, что перемена значения магнитного потока сквозь площадь, находящуюся внутри замкнутого проводника, способствует появлению в нём индукционного тока. Данное явление получило название электромагнитная индукция. Продолжив изучение темы, затронутой Фарадеем, Ленц смог сформулировать принцип, согласно которому определяется направление тока индукции.
Формулировка правила
Правило Ленца гласит: ток индукции в контуре непременно принимает направленность, противоположную той, которую имеет причина его появления, то есть, внешнее электрическое поле.
Рассмотрим опыт, демонстрирующий это правило. Возьмём пластинку из алюминия, на концах которой находятся кольца из того же материала. Одно кольцо замкнутое, а другое с небольшой прорезью.
Если один из магнитных полюсов придвигать к кольцу без прорези, то конструкция начнёт вести себя определенным образом: она будет отдаляться от источника магнитного поля. Это происходит из-за того, что при поднесении к металлическим деталям магнита изменяется попадающий в контур магнитный поток. Если же вспомнить закон электромагнитной индукции, тогда становится понятно, что в проводнике образуется электроток, создающий магнитное поле противоположной направленности. Поле магнита и собственное поле кольца отталкиваются друг от друга, поэтому кольцо отдаляется.
Если теперь начать отдалять магнит, уменьшая МП сквозь поверхность проводника, в нём возникнет индукционный ток иной направленности. Конструкция начнёт поворачиваться вслед за магнитом.
Однако при проведении подобных действий с кольцом, в котором есть прорезь, движение не наблюдается. Это связано с тем, что в разомкнутом контуре электроток не течёт, поэтому нет источников собственного магнитного поля.
Применение правила Ленца
На основании своих экспериментов Фарадей сделал вывод, что направление индукционного тока зависит от величины МП, проходящего через контур. То есть, если поток увеличивается, то ток направлен в одну сторону, а если уменьшается — в другую. В 1833 году петербургский академик Ленц сформулировал правило, позволяющее определять, куда направлен индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре.
Чтобы найти направление тока при помощи правила Ленца, следует прибегнуть к такому алгоритму:
Чтобы воспользоваться правилом правой руки, надо руку расположить так, чтобы большой палец указывал направление действия магнитных линий поля, созданного индукционным током. Тогда с помощью сжатых в кулак остальных пальцев узнаем, в какую сторону течет сам ток.
Отражение в формулах
ЭДС индукции вычисляется с помощью формулы, отражающей принцип, сформулированный Ленцом:
Производная потока по времени в этой формуле показывает скорость его изменения, а в знаке «минус» заключается рассматриваемое нами правило: возникающая ЭДС будет противодействовать изменениям.
На основании закона Ома можно вывести формулу зависимости индукционного тока от изменения потока.
Существует ещё один опыт, демонстрирующий явление электромагнитной индукции, а также справедливость представленной выше формулы. Индуктивность соединяется с амперметром, и внутрь неё начинают засовывать магнит, в результате чего стрелка амперметра сдвигается, сообщая о наличии тока. Как только магнит перестаёт двигаться, ток исчезает, поскольку величина магнитного потока не изменяется. Если начать отодвигать магнит, то стрелка амперметра сдвигается в обратную сторону: ток будет течь в другом направлении. Кроме того, при увеличении скорости движения магнита увеличивается модуль фиксируемого тока, так как производная магнитного потока по времени, то есть, скорость его изменения увеличивается.
Также рассматриваемое правило применимо, когда изменяется ток, текущий в катушке. От этих изменений возникает самоиндукция, ЭДС которой противодействует увеличению или уменьшению породившего её тока.
Правило Ленца позволяет убедиться в истинности закона о сохранении энергии: увеличение потока, пронизывающего контур, вызывает сопротивление этому увеличению, стремящееся вернуть систему к начальному состоянию. И точно также при уменьшении магнитного потока, пронизывающего контур, система стремится сохранить ранее существующий поток.
Загрузка...
