Направление индукционного тока. Правило Ленца

 «Искусство экспериментатора состоит в том,

чтобы уметь задавать природе вопросы,

и понимать ее ответы»

Майкл Фарадей

В данной теме разговор пойдёт о том, как определить направление индукционного тока. Рассмотрим правило Ленца.

В прошлой теме говорилось о таком явлении, как электромагнитная индукция и магнитном потоке. Магнитный поток через плоскую поверхность — это скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в замкнутом контуре при изменении магнитного потока в нем возникает электрический ток, который мы  с вами называли индукционным.

Закон электромагнитной индукции гласит: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Знак «минус» в формуле показывает, что индукционный ток противодействует изменению магнитного потока. Поэтому ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока имеют разные знаки.

Теперь настало время поговорить об этом более подробно и дать физическое обоснование этого явления.

Как было показано в прошлых опытах в катушке, при приближении или удалении от нее магнита, возникает индукционный ток разного направления.

Индукционный ток в катушке, как и любой другой ток, создает собственное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. Задача сводится к тому, что бы разобраться в механизме этого взаимодействия.

Для определения направления линий магнитного поля внутри катушки с индукционным током, будем пользоваться правилом буравчика, которое гласит, что если вращать головку правого винта по току в витке, то тогда поступательное движение острия винта укажет направление магнитного поля соленоида, а следовательно, и его северного полюса.

Если приближать магнит к катушке, например северным полюсом, то в ней возникнет индукционный ток такого направления, что на ближайшем конце катушки появится одноименный магнитный полюс.

Из рисунка видно, что вектор магнитной индукции поля постоянного магнита направлен вниз, а вектор магнитной индукции поля возникшего индукционного тока — вверх, так как линии магнитной индукции поля катушки выходят из северного полюса. Это значит, что в данном случае, т.е. при увеличении магнитного потока, пронизывающего катушку, в ней возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю, порождающему этот ток.

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

Если же удалять магнит от катушки, то на ближайшем ее полюсе возникнет магнитный полюс, противоположный полюсу постоянного магнита. Получается, что опять магнитное поле индукционного тока будет препятствовать изменению магнитного поля, порождающего этот индукционный ток.

Т.е. имеются два магнита, обращенных друг к другу разноименными полюсами, а известно, что разноименные полюса притягиваются, что приводит к тому, что постоянный  магнит, в этом случае, будет всегда притягиваться к катушке.

Аналогично будет происходить, если поменять полюс магнита с северного на южный.

Таким образом, проследив за взаимодействием между полюсами катушки и магнита во всех случаях и сравнив его с направлением движения магнита, можно легко заметить, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.

К аналогичным выводам в 1833 году пришел прославленный российский физик, один из основоположников электротехники,  Эмилий Христианович Ленц.

Однако, в своих опытах, Ленц использовал не катушку, а прибор, состоящий из узкой алюминиевой пластины с алюминиевыми кольцами на концах. Одно кольцо было сплошное, а другое — с разрезом. Данный прибор был помещен на стойку и мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Ленц брал полосовой магнит и вносил его в кольца.

При подносе магнита к кольцу с разрезом, никаких изменений в установке не наблюдалось. Однако, пытаясь внести этот же магнит в сплошное кольцо, Ленц наблюдал, как оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая при этом всю пластинку. Убирая магнит от кольца, оно возвращалось в первоначальное положение. Ленц объяснял эти явления так: при приближении к кольцу магнита, поле которого является неоднородным, проходящий сквозь кольцо магнитный поток увеличивается. При этом в сплошном кольце возникает индукционный ток, а в кольце с разрезом ток циркулировать не может.

Отталкивание сплошного кольца показывает, что индукционный ток в нем имеет такое направление, что линии индукции магнитного поля, порожденного индукционным током, направлены противоположно линиям индукции внешнего поля магнита. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу одноименными полюсами.

При уменьшении магнитного потока (выдвигание магнита), индукционный ток имеет в нем такое направление, что линии индукции его магнитного поля совпадают по направлению с линиями индукции внешнего магнитного поля. Т.е. кольцо и магнит будут обращены друг к другу разноименными полюсами.

Таким образом, проследив за взаимодействием между кольцом и магнитом во всех случаях и сравнив его с направлением движения магнита, можно видеть, что взаимодействие между полюсами всегда препятствует движению магнита.

Эмилий Христианович Ленц обобщил найденные им закономерности и сформулировал общее правило. Найденную им связь называют его именем, правилом Ленца. Оно гласит, что электромагнитная индукция создает в контуре индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.

С помощью правила Ленца всегда можно определить направление индукционного тока. Для этого необходимо:

– Выяснить причину возникновения индукционного тока (увеличивается или уменьшается магнитный поток через контур);

– Определить направление вектора магнитной индукции индуцирующего магнитного поля;

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

– По направлению вектора магнитной индукции индукционного тока определить, пользуясь правилом буравчика, направление индукционного тока.

Сформулируем закон электромагнитной индукции: среднее значение ЭДС индукции в проводящем контуре пропорционально скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Изучив правило Ленца, можем сказать, что знак минус, в математической записи закона, учитывает именно его.

Согласно этому правилу, если магнитный поток будет увеличиваться (т.е. скорость изменения магнитного потока будет больше нуля), то ЭДС индукции будет отрицательна и, наоборот, при уменьшении магнитного потока (когда скорость его изменения будет меньше нуля) ЭДС индукции будет положительна.

Индукционный ток, а, следовательно, и ЭДС индукции, возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Единственное отличие состоит в том, что эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника, и поэтому их называют вихревыми, а также токами Фуко, которые вызывают нагревание проводников. Однако и они полностью подчиняются правилу Ленца.

Основные выводы:

– Направление индукционного тока определяется с помощью закона сохранения энергии.

– Правило Ленца: индукционный ток во всех случаях направлен так, что бы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, вызывающего данный индукционный ток.