Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами, поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М.Фарадея. Он открыл явление электромагнитной индукции.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится вся вырабатываемая в мире электроэнергия.
- Магнитный поток
Количественной характеристикой процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур является физическая величина называемая магнитным потоком . Магнитным потоком (Ф) через замкнутый контур площадью (S) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции (В) на площадь контура (S) и на косинус угла между вектором В и нормалью к поверхности : Φ = BS cos α. Единица магнитного потока Ф - вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 .
перпендикулярен максимальный.
Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.
- Закон электромагнитной индукции
Опытным путем был установлен закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: Эта формула носит название закона Фарадея .
Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея. В нем, чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.
- Правило Ленца
Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский физик Э.Х.Ленц. Согласно правилу Ленца , возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея ).
Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине. Они могли вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца оно стремилось «догнать» магнит. При движении же магнита внутри разрезанного кольца никакого движения не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
В 1834 году русский академик Э. Х. Ленц, известный своими многочисленными исследованиями в области электромагнитных явлений, дал универсальное правило для определения направления индуктированной электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. Это правило, известное как правило Ленца, может быть сформулировано так:
Направление индуктированной ЭДС всегда таково, что вызванный ею ток и его имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктированную ЭДС.
Справедливость формулировки правила Ленца подтверждается следующими опытами:
| Рисунок 1. Противодействие проводника с индуктированным током своему движению |
1. Если расположить так, как показано на рисунке 1, то при движении вниз проводник будет пересекать это магнитное поле. Тогда в проводнике индуктируется ЭДС, направление которой можно определить по . В нашем случае направление индуктированной ЭДС, а стало быть и тока будет «к нам». Посмотрим теперь, как будет вести себя наш проводник с током в магнитном поле. Из предыдущих статей нам известно, что проводник с током из магнитного поля будет выталкиваться. Направление выталкивания определяется по правилу левой руки. В нашем случае сила выталкивания направлена вверх. Таким образом, индуктированный ток, взаимодействуя с магнитным полем, мешает движению проводника, то есть противодействует причине, которая его вызвала.
2. Для опыта соберем цепь, показанную на рисунке 2. Опуская в катушку (северным полюсом вниз), заметим отклонение стрелки гальванометра. Опыт показывает, что направление индуктированного тока в катушке будет такое, как показано стрелками на рисунке 2, а . Пусть ему соответствует отклонение стрелки влево от среднего нулевого положения. Следовательно, катушка как бы превратилась в и указанное направление тока создает наверху ее северный полюс, а внизу - южный. Так как одноименные полюса магнита и соленоида будут отталкиваться, то индуктированный ток в катушке будет мешать движению постоянного магнита, то есть будет противодействовать причине, которая его вызвала.
Рисунок 2. Противодействие соленоида движению магнита:
а
- вниз, б
- вверх
Если мы будем вынимать постоянный магнит из катушки, то стрелка гальванометра отклонится вправо (рисунок 2, б ). Этому отклонению стрелки гальванометра, как показывает опыт, соответствует направление индуктированного тока, показанное стрелками на рисунке 2, б , и противоположное направлению тока на рисунке 2, а .
Определяя полюса катушки по «правилу буравчика», найдем, что южный полюс будет теперь наверху катушки, а северный внизу. Разноименные полюса магнита и соленоида, притягиваясь, будут тормозить движение магнита. Значит, индуктированный ток опять будет противодействовать причине, которая его вызвала.
 |
| Рисунок 3. Возникновение индуктированного тока II
: а - в момент замыкания цепи I , б - в момент размыкания цепи |
3. Замыкая цепь I (рисунок 3, а ), пропустим ток по проводнику АБ . Направление тока показано на рисунке стрелками. Магнитное поле проводника АБ , созданное появившимся током, распространяясь во все стороны, будет пересекать проводник ВГ , и в цепи II возникает индуктированная ЭДС. Поскольку цепь II замкнута на гальванометр, в ней появится ток. Гальванометр в этом случае включен также, как и в предыдущем опыте.
Стрелка гальванометра, отклонившись влево, покажет, что ток через прибор идет сверху вниз. Сравнивая направление токов в проводниках АБ и ВГ, мы видим, что токи их направлены в разные стороны.
Как мы уже знаем, проводники, токи в которых направлены в разные стороны, один от другого. Поэтому проводник ВГ с индуктированным током будет стремиться оттолкнуться от проводника АБ (так же, как и проводник АБ от ВГ ), устранить влияние поля проводника АБ и тем самым препятствовать причине, вызвавшей индуктированный ток.
Индуктированный ток в цепи II будет проходить непродолжительное время. Как только проводника АБ установится, прекратится пересечение проводника ВГ магнитным полем проводника АБ , ток в цепи II пропадет.
При размыкании цепи I исчезающий ток вызовет уменьшение магнитного поля, индукционные линии которого, пересекая проводник ВГ , создадут в нем индуктированный ток того же направления, что и в проводнике АБ (рисунок 3, б ).
Нам известно, что проводники, в которых ток идет в одном направлении, один к другому. Поэтому проводник ВГ будет стремиться протянуться к проводнику АБ , чтобы поддержать его убывающее магнитное поле.
4. Для следующего примера возьмем катушку, имеющую круглый сердечник, набранный из нарубленной стальной проволоки, на который свободно надето легкое алюминиевое кольцо (рисунок 4). В момент замыкания цепи по обмотке катушки начинает проходить , создающий магнитное поле, индукционные линии которого, пересекая алюминиевое кольцо, индуктируют в нем ток. В момент включения катушки в алюминиевом кольце возникает индуктированный ток, направленный обратно току в витках катушки. Проводники имеющие разное направление индукционного тока отталкиваются. Поэтому в момент включения катушки алюминиевое кольцо подскакивает вверх.
Нам теперь известно, что при всяком изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур, в нем появляется индуктированная ЭДС, определяемая равенством:
Выражение в данной формуле представляет собою среднюю скорость изменения магнитного потока по времени. Чем меньше промежуток времени Δt , тем меньше вышеуказанная ЭДС отличается от ее действительного значения в данный момент времени. Знак минус, стоящий перед выражением , показывает направление индуктированной ЭДС, то есть учитывает правило Ленца.
При увеличении магнитного потока выражение будет положительным, а ЭДС - отрицательной. В этом и заключается правило Ленца: ЭДС и созданный ею ток противодействуют причине, которая их вызвала .
При равномерном изменении во времени магнитного потока выражение будет постоянно. Тогда абсолютное значение ЭДС в проводнике будет равно:
Размерность магнитного потока будет:
[Ф] = [e × t ] = В × сек или вебер.
Если мы имеем не один проводник, а катушку, состоящую из w витков, то величина индуктированной ЭДС будет:
Произведение числа витков катушки на сцепленный с ними магнитный поток называется потокосцеплением катушки и обозначается буквой ψ. Поэтому закон можно записать и в другой форме:
>> Направление индукционного тока. Правило Ленца
Присоединив катушку, в которой возникает индукционный ток, к гальванометру, можно обнаружить, что направление этого тока зависит от того, приближается ли магнит к катушке (например, северным полюсом) или удаляется от нее (см. рис. 2.2, б).
Возникающий индукционный ток того или иного направления как-то взаимодействует с магнитом (притягивает или отталкивает его). Катушка с проходящим по ней током подобна магниту с двумя полюсами - северным и южным. Направление индукционного тока определяет, какой конец катушки выполняет роль северного полюса (линии магнитной индукции выходят из него). На основе закона сохранения энергии можно предсказать, в каких случаях катушка будет притягивать магнит, а в каких отталкивать его.
Взаимодействие индукционного тока с магнитом. Если магнит приближать к катушке, то в ней появляется индукционный ток такого направления, что магнит обязательно отталкивается. Для сближения магнита и катушки нужно совершить положительную работу. Катушка становится подобной магниту, обращенному одноименным полюсом к приближающемуся к ней магниту. Одноименные же полюса отталкиваются.
При удалении магнита, наоборот, в катушке возникает ток такого направления, чтобы появилась притягивающая магнит сила.
В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки, или, что то же самое, магнитный поток, увеличивается (рис. 2.5, а), а во втором случае уменьшается (рис. 2.5, б). Причем в первом случае линии индукции магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 2.5 изображены черным цветом. В случае а катушка с током аналогична магниту, северный полюс которого находится сверху, а в случае б - снизу.
Аналогичные выводы можно сделать с помощью опыта, показанного на рисунке 2.6. На концах стержня, который может свободно вращаться вокруг вертикальной оси, закреплены два проводящих алюминиевых кольца. Одно из них с разрезом. Если поднести магнит к кольцу без разреза, то в нем возникнет индукционный ток и направлен он будет так, что это кольцо оттолкнется от магнита и стержень повернется. Если удалять магнит от кольца, то оно, наоборот, притянется к магниту. С разрезанным кольцом магнит не взаимодействует, так как разрез препятствует возникновению в кольце индукционного тока. Отталкивает или притягивает катушка магнит, это зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.
Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует усилению магнитного потока через витки катушки. Ведь линии индукции этого поля направлены против линий индукции поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный
ток создает магнитное поле с индукцией , увеличивающее магнитный поток через витки катушки.
В этом и состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем .
Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей.
Применять правило Ленца для нахождения направления индукционного тока в контуре надо так:
1. Определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается ли поток вектора магнитной индукции этого поля через поверхность, ограниченную контуром (Ф > 0), или уменьшается (Ф < 0).
3. Установить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока. Эти линии должны быть согласно правилу Ленца направлены противоположно линиям магнитной индукции при Ф > 0 и иметь одинаковое с ними направление при Ф < 0.
4. Зная направление линий магнитной индукции , найти направление индукционного тока, пользуясь правилом буравчика.
Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях направлен так, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток .
1. Как определяется направление индукционного тока?
2. Возникнет ли в кольце с разрезом электрическое поле, если подносить к нему магнит!
Правило Ленца позволяет определять направление индукционного тока в контуре. Оно гласит: «направление индукционного тока всегда таково, что его действие ослабляет действие причины, вызывающей этот индукционный ток».
Например, если взять подвешенное на нити небольшое кольцо из меди, и попытаться внести в него северным полюсом достаточно сильный , то по мере приближения магнита к кольцу, кольцо начнет отталкиваться от магнита.
Это выглядит так, будто бы кольцо начинает вести себя подобно магниту, повернутому одноименным (в данном примере - северным) полюсом к вносимому в него магниту, и пытается таким образом вносимый магнит как бы ослабить.
А если магнит остановить в кольце, и начать из кольца выдвигать, то кольцо наоборот последует за магнитом, словно проявляя себя как тот же магнит, но теперь - обращенный противоположным полюсом к выдвигаемому магниту (отодвигаем северный полюс магнита - притягивается южный полюс, возникающий на кольце), пытаясь на этот раз усилить ослабляемое из-за выдвижения магнита магнитное поле.
Если проделать то же самое с разомкнутым кольцом, то кольцо реагировать на магнит не станет, хотя ЭДС в нем наведется, однако поскольку кольцо не замкнуто, индукционного тока не будет, а значит и направление его определять незачем.
Что на самом деле происходит здесь? Вдвигая магнит в целое кольцо - мы увеличиваем магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, и значит (поскольку , генерируемая в кольце ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока) в кольце генерируется ЭДС.
А выдвигая магнит из кольца - мы тоже изменяем магнитный поток через кольцо, только теперь не увеличиваем его, а уменьшаем, и возникающая ЭДС снова будет пропорциональной скорости изменения магнитного потока, но направлена в противоположную сторону. Поскольку контур представляет собой замкнутое кольцо, то ЭДС конечно порождает в кольце замкнутый ток. А ток создает вокруг себя магнитное поле.
Направление линий индукции магнитного поля, порождаемого в кольце тока, можно определить по правилу буравчика, и они окажутся направлены именно так, чтобы препятствовать поведению линий индукции вносимого магнита: линии внешнего источника входят в кольцо, из кольца, соответственно, - выходят, линии внешнего источника покидают кольцо, в кольцо, соответственно, - направляются.
Правило Ленца в трансформаторе
Теперь вспомним как в соответствии с правилом Ленца ведет себя нагруженный . Допустим, в первичной обмотке трансформатора ток нарастает, следовательно в сердечнике магнитное поле увеличивается. Увеличивается магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку трансформатора.
Поскольку вторичная обмотка трансформатора замкнута через нагрузку, то генерируемая в ней ЭДС породит индукционный ток, который создаст свое собственное магнитное поле вторичной обмотки. Направление этого магнитного поля будет таковым, чтобы ослаблять магнитное поле первичной обмотки. А значит ток в первичной обмотке будет увеличиваться (поскольку увеличение нагрузки во вторичной обмотке эквивалентно уменьшению индуктивности первичной обмотки трансформатора, а значит - понижению импеданса трансформатора для сети). И сеть станет совершать работу в первичной обмотке трансформатора, величина которой будет зависеть от нагрузки во вторичной обмотке.
Эффектной демонстрацией правила Ленца является опыт Элиу Томсона .
Физическая суть правила
где знак «минус» означает, что ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению потока. Этот факт и отражён в правиле Ленца.
Правило Ленца носит обобщённый характер и справедливо в различных физических ситуациях, которые могут отличаться конкретным физическим механизмом возбуждения индукционного тока. Так, если изменение магнитного потока вызвано изменением площади контура (например, за счёт движения одной из сторон прямоугольного контура), то индукционный ток возбуждается силой Лоренца, действующей на электроны перемещаемого проводника в постоянном магнитном поле. Если же изменение магнитного потока связано с изменение величины внешнего магнитного поля, то индукционный ток возбуждается вихревым электрическим полем, появляющимся при изменении магнитного поля. Однако в обоих случаях индукционный ток направлен так, чтобы скомпенсировать изменение потока магнитного поля через контур.
Если внешнее магнитное поле, пронизывающее неподвижный электрический контур, создаётся током, текущим в другом контуре, то индукционный ток может оказаться направлен как в том же направлении, что и внешний, так и в противоположном: это зависит от того, уменьшается или увеличивается внешний ток. Если внешний ток увеличивается, то растёт создаваемое им магнитное поле и его поток, что приводит к появлению индукционного тока, уменьшающего это увеличение. В этом случае индукционный ток направлен в сторону, противоположную основному. В обратном случае, когда внешний ток уменьшается со временем, уменьшение магнитного потока приводит к возбуждению индукционного тока, стремящегося увеличить поток, и этот ток направлен в ту же сторону, что и внешний ток.
Ссылки
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Осада Кхесани
- Порт де Халь/Халлепорт
Смотреть что такое "Правило Ленца" в других словарях:
ПРАВИЛО ЛЕНЦА - ПРАВИЛО ЛЕНЦА, электромагнитный закон, выведенный русским физиком Генрихом Ленцем (1804 65) в 1834 г. Закон гласит, что индуцированный электрический ток течет в направлении, противоположном заряду, который произвел этот ток. см. также ИНДУКЦИЯ … Научно-технический энциклопедический словарь
правило Ленца - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN law of induced currentLenz s lawLenz s rule … Справочник технического переводчика
правило Ленца - правило, определяющее направление индукционных токов (возникающих при электромагнитной индукции); следствие закона сохранения энергии. Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутном контуре индукционный ток направлен так, что… …
правило Ленца - Lenco taisyklė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Lenz’s law; Lenz’s rule vok. Lenzsche Regel, f; Lenzsches Gesetz, n rus. закон Ленца, m; правило Ленца, n pranc. loi de Lenz, f … Fizikos terminų žodynas
ЛЕНЦА ПРАВИЛО - определяет направление пндукц. токов, возникающих в результате электромагнитной индукции; является следствием закона сохранения энергии. Л. п. установлено (1833) Э. X. Ленцем. Индукц. ток в контуре направлен так, что создаваемый им поток… … Физическая энциклопедия
ПРАВИЛО - (1) буравчика определяет направление вектора напряжённости магнитного поля прямолинейного проводника с постоянным током. Если буравчик ввёртывается по направлению тока, то направление его вращения определяет направление магнитных силовых линий… … Большая политехническая энциклопедия
Ленца правило - Правило Ленца, правило для определения направления индукционного тока: Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток… … Википедия
правило правой руки - удобное для запоминания правило для определения направления индукционного тока в проводнике, движущегося в магнитном поле: если расположить правую ладонь так, чтобы отставлtysq большой палец совпадал с направлением движения… … Энциклопедический словарь по металлургии
правило фаз - уравнение, связывающее число степеней свободы (С) термодинамической системы с числом компонентов (К) и числом равновесных фаз (Ф): С = К Ф + 2. Если влиянием давления на фазовое равновесие можно пренебречь, то правило фаз имеет вид:… … Энциклопедический словарь по металлургии
правило рычага - , правило отрезков одно из проявлений закона сохранения массы вещества, устанавливающего взаимосвязь между химическими составами и массами двух веществ и 3 го вещества, образованного из первых двух; служит для определения по диаграмме … Энциклопедический словарь по металлургии
Книги
- 11класс. Физика , Сборник. Диск предназначен в помощь учащимся 11 классов, изучающим физику на базовом уровне. Он включает в себя теоретический материал, состоящий из 15 основных разделов школьной программы. Простота… Купить за 124 руб аудиокнига
