Направление индукционного тока. Принцип Ленца

– По направлению вектора магнитной индукции индукционного тока определите направление индукционного тока, используя правило Боракса.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам из набора, вы должны добавить его в свой личный кабинет, купив в каталоге.

Получите удивительные возможности

Конспект урока “Направление индукционного тока. Принцип Ленца”.

“Искусство экспериментатора

“это способность задавать вопросы природе

и понять его ответы”.

Майкл Фарадей

В этой теме мы обсудим, как определить направление индукционного тока. Рассмотрим правило Ленца.

В прошлой теме мы говорили о явлении электромагнитной индукции и магнитном потоке. Магнитный поток через плоскую поверхность – скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром, и косинуса угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом контуре изменение магнитного потока в контуре порождает электрический ток, который мы называем индукционным током.

Закон электромагнитной индукции утверждает: среднее значение индуктивной ЭДС в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока на поверхности, ограниченной контуром.

Знак минус в формуле указывает на то, что индукционный ток противодействует изменению магнитного потока. Поэтому ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Теперь пришло время поговорить об этом более подробно и дать физическое объяснение этому явлению.

Как было показано в предыдущих экспериментах, индукционные токи разного направления возникают в катушке, когда магнит приближается или удаляется от нее.

Индукционный ток в катушке, как и любой другой ток, создает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Задача сводится к пониманию механизма этого взаимодействия.

Чтобы определить направление линий магнитного поля внутри катушки с индукционным током, мы будем использовать Булевский принципв котором говорится, что Если мы будем вращать головку правого винта в соответствии с током в катушке, то поступательное движение острия винта укажет направление магнитного поля соленоида, а значит, и его северного полюса.

Если, например, поднести магнит вплотную к соленоиду с его северным полюсом, то возникнет индукционный ток такого направления, что на ближайшем конце соленоида появится одноименный магнитный полюс.

Из рисунка видно, что вектор индукции магнитного поля постоянного магнита направлен вниз, а вектор индукции магнитного поля индуцированного тока направлен вверх, так как линии поля магнитной индукции катушки выходят из северного полюса. Это означает, что в данном случае, т.е. при увеличении магнитного потока в катушке, в ней возникает индукционный ток, поэтому ее магнитное поле направлено в сторону магнитного поля, создающего ток.

Это создает два обращенных друг к другу магнита с одноименными полюсами, а известно, что одноименные полюса отталкиваются друг от друга. Это приводит к тому, что в данном случае постоянный магнит всегда будет отталкиваться от катушки.

Если мы удалим магнит из катушки, то магнитный полюс, противоположный полюсу постоянного магнита, окажется на ближайшем к нему полюсе. Так что еще раз Магнитное поле индукционного тока будет препятствовать изменению магнитного поля, создающего этот индукционный ток.

То есть, два магнита обращены друг к другу противоположными полюсами, а известно, что противоположные полюса притягиваются друг к другу, что приводит к тому, что постоянный магнит в этом случае всегда будет притягиваться к катушке.

То же самое произойдет, если поменять полюс магнита с северного на южный.

Таким образом, наблюдая во всех случаях взаимодействие между полюсами катушки и магнита и сравнивая его с направлением движения магнита, легко увидеть, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.

Известный русский физик, один из основателей электротехники, Эмилий Христианович Ленц, пришел к аналогичным выводам в 1833 году.

Однако в своих экспериментах Ленц использовал не катушку, а устройство, состоящее из узкой алюминиевой пластины с алюминиевыми кольцами на концах. Одно кольцо было полным, а другое – с прорезью. Это устройство размещалось на подставке и могло свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Ленц взял полосовой магнит и вставил его в кольца.

Когда магнит был приближен к щелевому кольцу, в аппарате не наблюдалось никаких изменений. Однако, когда была предпринята попытка поместить тот же магнит в сплошное кольцо, Ленц заметил, что кольцо начало “убегать” от магнита, вращая при этом всю пластину. Когда магнит был снят с кольца, он вернулся в исходное положение. Ленц объяснил эти явления следующим образомКогда магнит с неоднородным полем приближается к кольцу, магнитный поток через кольцо увеличивается. В сплошном кольце возникает индукционный ток, а в кольце с зазором ток не может циркулировать.

Отталкивание сплошного кольца указывает на то, что индуктированный в нем ток имеет такое направление, что линии индукции магнитного поля, создаваемые этим током, противоположны линиям индукции внешнего поля магнита. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу одинаковыми полюсами.

Когда магнитный поток уменьшается (вытягивает магнит), индукционный ток имеет такое направление, что линии индукции его магнитного поля совпадают с линиями индукции внешнего магнитного поля. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу противоположными полюсами.

Таким образом, наблюдая во всех случаях взаимодействие между кольцом и магнитом и сравнивая его с направлением движения магнита, мы видим, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.

Эмилий Христианович Ленц обобщил найденные им закономерности и сформулировал общий принцип. Найденное им соединение было названо в его честь, Принцип Ленца. В нем говорится, что Электромагнитная индукция создает в цепи наведенный ток в таком направлении, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего ток.

Благодаря правилу Ленца всегда можно определить направление индукционного тока. Для этого необходимо:

– Найдите причину возникновения индукционного тока (увеличение или уменьшение магнитного потока через контур);

– Определите направление вектора магнитной индукции индуцирующего магнитного поля;

– Найдите направление индукции магнитного поля индукционного тока (если DF > 0, то ; DF < 0, тогда );

– Используя направление вектора магнитной индукции индукционного тока, определите направление индукционного тока, используя правило Боравика.

Давайте сформулируем закон электромагнитной индукции: Средняя ЭДС индукции в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через область, ограниченную контуром.

Изучив правило Ленца, мы можем сказать, что знак минус в математической нотации этого закона учитывает это.

Согласно этому правилу, если магнитный поток увеличивается (т.е. скорость изменения магнитного потока больше нуля), ЭДС индукции будет отрицательной и, наоборот, если магнитный поток уменьшается (когда скорость его изменения меньше нуля), ЭДС индукции будет положительной.

Индукционный ток, а значит и ЭДС индукции, возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных твердых проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Разница лишь в том, что эти токи оказываются замкнутыми в пределах толщины проводника и поэтому называются вихревыми токами, а также Течения Фуко, которые вызывают нагрев проводников. Однако и они полностью подчиняются правилу Ленца.

Основные выводы:

– Направление индукционного тока определяется законом сохранения энергии.

– Правило Ленца: индукционный ток во всех случаях направлен так, что его магнитное поле не изменяет магнитный поток, вызывающий индукционный ток.

Рис. 126. Когда магнит отходит от неподвижного кольца, кольцо, притягиваясь, следует за магнитом.

§ 40 Направление индукционного тока. Принцип Ленца

В предыдущем параграфе были рассмотрены эксперименты с индукционным током и установлена причина возникновения индукционного тока.

Как же направляется индукционный ток? Чтобы ответить на этот вопрос, воспользуемся прибором, показанным на рис. 123. Он состоит из узкой алюминиевой пластины, на концах которой расположены алюминиевые кольца. Одно кольцо сплошное, а другое – с прорезью. Пластина с кольцами помещается на штатив и свободно вращается вокруг вертикальной оси.

Рисунок 123: Когда любой полюс магнита приближается к сплошному кольцу, кольцо отталкивается от него

Возьмите полосовой магнит и вставьте его в кольцо с прорезью – кольцо останется на месте. Однако если вставить магнит в неподвижное кольцо, оно будет отталкивать магнит, вращая при этом всю пластину. Результат будет точно таким же, если магнит будет обращен к кольцам не северным полюсом (как на рисунке), а южным. Давайте объясним наблюдаемые явления.

Когда один из полюсов магнита, поле которого неоднородно, приближается к кольцу, магнитный поток, проходящий через кольцо, увеличивается (рис. 124). В сплошном кольце наводится индукционный ток, но через щелевое кольцо ток не протекает.

Рисунок 124: Возникновение индукционного тока в сплошном кольце при приближении магнита к кольцу

Ток в массивном кольце создает магнитное поле в пространстве, так что кольцо приобретает свойства магнита. Воздействуя на приближающийся стержневой магнит, кольцо отталкивает его. Из этого следует, что кольцо и магнит обращены друг к другу однородными полюсами, а векторы магнитной индукции (B_к и Б_м) их поля направлены в противоположные стороны (рис. 125). Зная направление вектора индукции магнитного поля кольца, можно использовать правило правой руки (см. рис. 97) для определения направления индукционного тока в кольце. Удаляясь от приближающегося магнита, кольцо противодействует увеличению внешнего магнитного потока, проходящего через него.

Рисунок 125: Определение направления индукционного тока в кольце

Давайте теперь посмотрим, что происходит, когда внешний магнитный поток через кольцо уменьшается. Для этого нужно взять кольцо в руку и поместить в него магнит. Затем мы отпускаем кольцо и начинаем снимать магнит. В этом случае кольцо будет следовать за магнитом, притягиваясь к нему (рис. 126). Таким образом, кольцо и магнит обращены друг к другу противоположными полюсами, и векторы магнитной индукции их полей направлены в одну сторону (рис. 127). Если Б_к и Б_м магнитное поле тока будет противодействовать уменьшению внешнего магнитного потока, проходящего через кольцо.

Рисунок 126: Когда магнит отходит от неподвижного кольца, кольцо следует за магнитом, потому что оно притягивается.

Рисунок 127. Направление индукционного тока в кольце меняется на противоположное, когда магнит перемещается относительно кольца.

• Ток, индуцированный в замкнутом контуре, через его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока, вызвавшего ток.

Это правило было установлено в 1834 году русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем и поэтому называется правилом Ленца.

4. Как можно определить направление индукционного тока в кольце?

Вопросы §40

Для определения направления индукционного тока был проведен эксперимент.

2. почему щелевое кольцо не реагирует на приближающийся магнит?

В щелевом кольце не может быть индуцирован электрический ток.

3 Объясните, какие явления происходят, когда магнит приближается к неподвижному кольцу (см. рис. 125); когда магнит удаляется от него (см. рис. 127).

При приближении магнита в замкнутом контуре возникает индукционный ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. Судя по тому, что контур начинает отталкиваться – кольцо и магнит обращены друг к другу одноименными полюсами, а векторы их магнитной индукции направлены в противоположные стороны. Когда магнит удаляется от рамки (после того, как он был насильно помещен в нее), рамка начинает притягиваться, так что рамка и магнит оказываются напротив друг друга одноименными полюсами, а их векторы индукции направлены в одну сторону.

4 Как можно определить направление индукционного тока в кольце?

Применяя правило правой руки.

5. сформулируйте правило Ленца.

Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, противодействует своим магнитным полем изменению магнитного потока, вызванного током.

5. сформулируйте правило Ленца.

§ 49 Направление индукционного тока. Правило Ленца. –

 

Был проведен эксперимент по определению направления индукционного тока.

2. почему щелевое кольцо не реагирует на приближающийся магнит?

Электрический ток не может возникнуть в щелевом кольце.

3 Объясните явления, которые происходят, когда магнит приближается к неподвижному кольцу (см. рис. 132); когда магнит удаляется (см. рис. 134).

При приближении магнита в замкнутом контуре возникает индукционный ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле. Судя по тому, что контур начинает отталкиваться друг от друга – кольцо и магнит обращены друг к другу одинаковыми полюсами, а векторы их магнитной индукции направлены в противоположные стороны. Когда магнит отходит от рамки (после того, как его насильно поместили в нее), рамка начинает притягиваться, так что рамка и магнит оказываются напротив одинаковых полюсов и их векторы индукции направлены в одну сторону.

4 Как мы определили направление индукционного тока в кольце?

Применяя правило правой руки.

5. сформулируйте правило Ленца.

Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, противодействует своим магнитным полем изменению магнитного потока, вызванного током.

Упражнения.

1. почему вы думаете, что устройство, показанное на рисунке 130. сделано из алюминия? Как бы проходил эксперимент, если бы прибор был сделан из железа? меди?

2 В следующем списке логических операций, которые мы выполнили для определения направления индукционного тока, порядок операций неупорядочен. Запишите буквы этих операций в тетрадь и расположите их в правильном порядке. a) Определите направление тока, индуцированного в кольце (используя правило правой руки – см. §44. b) Определите направление индукции B_к магнитного поля тока в кольце относительно направления магнитной индукции B_м поля магнита, предполагая, что кольцо отталкивается от магнита по мере его приближения (так что они обращены друг к другу однородными полюсами, а B_к ↑↓ В_м) и притягивается в точке удаления (т.е. кольцо и магнит обращены к противоположным полюсам и B_к ↑↑ B_м) c) Определите направление магнитной индукции B_м поля магнита (через положение его полюсов).

Если обод установлен горизонтально, через него будет протекать много воды. И если вы повернете его, то через него пройдет меньше, потому что он не находится под прямым углом к вертикали.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция – Явление образования тока в замкнутом проводящем контуре, вызванное изменением магнитного потока, проходящего через контур.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем.

Майкл Фарадей провел серию экспериментов, которые способствовали открытию явления электромагнитной индукции.

Были проведены эксперименты. Две катушки были намотаны на одном и том же непроводящем основании: витки первой катушки были помещены между витками второй катушки. Витки одной катушки были коротко замкнуты на гальванометр, а другая катушка была подключена к источнику тока.

Когда ключ был закрыт и ток протекал через вторую катушку, в первой катушке возникал импульс тока. При открывании ключа также наблюдался импульс тока, но ток протекал через гальванометр в обратном направлении.

Эксперимент второй. Первая катушка была подключена к источнику тока, а вторая катушка – к гальванометру. Вторая катушка перемещалась относительно первой катушки. По мере приближения или отдаления катушки регистрировался ток.

Третий эксперимент. Катушка замыкается на гальванометр, и магнит перемещается внутрь (наружу) относительно катушки.

Вот что показывают эти эксперименты:

1. Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.
2. Направление тока будет разным, когда количество линий увеличивается, и разным, когда оно уменьшается.
3. Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Само поле может измениться, или контур может двигаться в неоднородном магнитном поле.

Почему существует индукционный ток?

Ток может существовать в цепи, когда внешние силы действуют на свободные заряды. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС.

Таким образом, при изменении числа магнитных линий на поверхности, ограниченной контуром, в контуре возникает ЭДС, которая называется ЭДС индукции.

Направление индукционного тока, возникающего при явлении электромагнитной индукции, не является случайным. Рассмотрим закономерности, по которым определяется это направление.

Обоснование принципа Ленца

Чтобы объяснить принцип Ленца, достаточно вспомнить закон сохранения энергии.

Возникающий в цепи ток, проходя через сопротивление цепи, совершает работу, которая расходуется на нагрев провода катушки. Энергия для этого – это именно то, что происходит при движении магнита. А поскольку магнит должен совершать положительную механическую работу, магнитное поле катушки должно быть направлено противоположно магнитному полю самого магнита, в какую бы сторону он ни двигался.

Только тогда магнит совершит положительную работу, энергия которой приведет в движение заряды в цепи, создавая индукционный ток, а индукционный ток, в свою очередь, совершит работу по нагреванию провода катушки (и отклонению стрелки гальванометра).

Рисунок 3: Направление индукционного тока.

Читайте далее:

• 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
• Географическими полюсами являются. Что такое географические полюса?.
• Урок 9: Часть 1: Электромагнетизм.
• Магнетизм – Джеймс Трефил, энциклопедия "Двести законов Вселенной".
• Эксперимент Эрстеда. Магнитное поле электричества. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током; FIZI4KA.
• Правило Буравера ℹ️ определение, формулировка закона и основное значение.
• Постоянные магниты – типы и свойства, формы, взаимодействие магнитов; Школа электротехники и электронной инженерии.