Направление индукционного тока. Правило Ленца
Явление электромагнитной индукции было открыто английским ученым Майклом Фарадеем. Он не только обнаружил это явление, но и смог его объяснить. Немного позже в 1834 году российский ученый-физик Генрих Ленц смог определить направление индукционного тока в контуре. Для своего опыта, он собрал следующую установку: легкое коромысло с двумя кольцами (одно кольцо сплошное, второе с разрезом) укреплено на подставке с помощью иглы. Коромысло может свободно вращаться вокруг своей оси. Кольца коромысла изготовлены из алюминия, следовательно, магнитом они не притягиваются, но если магнит вносить в замкнутое кольцо (замкнутый контур), то кольцо начинает отталкиваться от магнита и коромысло начинает вращаться. Почему это происходит? Поднося магнит к кольцу, замкнутый контур начинает пронизывать увеличивающийся магнитный поток. Который, как нам уже известно, вызывает не только появление индукционного тока в самом контуре, но и появление магнитного поля вокруг кольца. Причем, если магнитный поток увеличивается, то магнитное поле индукционного тока будет противодействовать его дальнейшему увеличению. Поменяем полярность магнита, и снова внесем его в замкнутое кольцо. Оно снова отталкивается. Следовательно, индукционный ток, который возникает в кольце, создает вокруг него магнитное поле, то есть кольцо начинает обладать свойством магнита. При приближении магнита кольцо отталкивается, значит, полюса магнита и магнитного поля кольца обращены друг к другу одноименными полюсами. Вектора магнитной индукции магнита и кольца противонаправлены. В случае, если магнит подносят северным полюсом к кольцу, то вектор магнитной индукции кольца направлен вправо. Направление индукционного тока в кольце легко определить по правилу правой руки. Большой палец правой руки показывает направо, четыре согнутых пальца показывают направление тока в кольце. Если подносят магнит южным полюсом, — вектора магнитной индукции противонаправлены. Но теперь вектор магнитной индукции кольца направлен влево. Снова определим направление индукционного тока в контуре по правилу правой руки. Большой палец показывает влево, четыре согнутых пальца показывают, что движение тока будет от нас. А что произойдет, если внести в разомкнутое кольцо магнит. Поднося по очереди к разомкнутому кольцу магнит сначала северным, а затем южным полюсом, видим, что коромысло остается неподвижным. Это происходит потому, что в разомкнутом контуре индукционный ток не возникает. Теперь, аккуратно придерживая коромысло, поместим магнит в замкнутое кольцо. Отпустим коромысло. И начнем выводить магнит из кольца. Кольцо притягивается к магниту, и коромысло начинает вращаться, следуя за магнитом.
Почему это происходит? Магнитное поле индукционного тока теперь начинает препятствовать уменьшению магнитного потока. Поменяв полярность магнита, снова аккуратно поместим его в кольцо. Выводя кольцо из магнита, наблюдаем его притяжение, коромысло пришло в движение и следует за магнитом. Так как кольцо притягивается, следовательно, вектора магнитной индукции постоянного магнита и кольца сонаправлены. Направление индукционного тока мы также можем определить по правилу правой руки. В первом случает ток направлен от нас, во втором к нам. Теперь аккуратно поместим магнит в разомкнутое кольцо. Выводя магнит из кольца, движение кольца не наблюдаем. Мы еще раз убедились в том, что индукционный ток возникает только в замкнутом кольце. На основании данных опытов Генрих Ленц сформулировал общее правило (для случая увеличения и уменьшения магнитного потока через замкнутый контур). Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешного магнитного потока, которое вызвало этот ток.
Рассмотрим пример.
Замкнутое кольцо подвешено на нити. Определим направление индукционного тока в кольце при введении в него южного полюса магнита. При внесении магнита, согласно правилу Ленца, магнитное поле индукционного тока, который возникнет в кольце, будет противодействовать дальнейшему увеличению магнитного потока. Следовательно, кольцо оттолкнётся, значит, вектора магнитной индукции противонаправлены. По правилу правой руки определяем, что ток направлен от нас.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
- Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
- Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
- Повысим успеваемость по школьным предметам
- Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Физика. 10 класс
§ 32. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции
Открыв явление электромагнитной индукции, Фарадей практически за полтора месяца установил все его существенные закономерности. Ему стала понятна сущность явления, которое сыграло такую важную роль для человечества: во всех экспериментах, проведённых им, индукционный ток в проводящем контуре возникал в результате изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Фарадей не только открыл явление электромагнитной индукции, но и первым продемонстрировал, «что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенных магнитов», сконструировав устройство, позволяющее преобразовывать механическую энергию в электрическую.
Направление индукционного тока. Опыты Фарадея показали, что направление индукционного тока, вызванного возрастанием магнитного потока, противоположно направлению индукционного тока, вызванного его уменьшением. Исследовав явление электромагнитной индукции, петербургский академик Эмилий Христианович Ленц ( 1804–1865 ) в 1833 г. сформулировал правило для определения направления индукционного тока (правило Ленца): возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный ток имеет такое направление, при котором создаваемый им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, противодействует изменению магнитного потока, вызывающему этот индукционный ток. Это означает, что при возрастании магнитного потока магнитное поле индукционного тока направлено против внешнего поля, а при убывании — магнитное поле индукционного тока направлено так же, как и внешнее поле.
В более сжатой форме правило Ленца можно сформулировать следующим образом: индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.
Правило Ленца можно проиллюстрировать, используя два алюминиевых кольца (одно из них с разрезом), закреплённых на стержне, свободно вращающемся вокруг вертикальной оси ( рис. 178 ). Из опыта следует, что при приближении постоянного магнита к сплошному кольцу оно отталкивается от магнита; при удалении магнита — кольцо притягивается к нему. Отталкивание и притяжение сплошного кольца объясняют возникновением в нём индукционного тока при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную кольцом. Очевидно, что при приближении магнита к кольцу направление индукционного тока таково, что индукция магнитного поля тока противоположна индукции магнитного поля постоянного магнита ( рис. 179 ). При удалении магнита индукции магнитных полей тока и магнита совпадают по направлению. При движении магнита относительно кольца с разрезом взаимодействие не наблюдается, так как индукционный ток отсутствует.
Чтобы определить направление индукционного тока по правилу Ленца, необходимо выполнить следующие операции ( рис. 180 ):
1) определить направление линий индукции внешнего магнитного поля ;
2) выяснить, увеличивается или уменьшается магнитный поток через поверхность, ограниченную проводящим контуром;
3) определить направление линий индукции магнитного поля индукционного тока : если приращение магнитного потока ΔФ < 0, то направления индукций внешнего магнитного поля и магнитного поля индукционного тока совпадают, если ΔФ >0, то — противоположны;
4) зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока , по правилу буравчика (правилу часовой стрелки) определить направление индукционного тока.
От теории к практике
Изменится ли направление индукционного тока (см. рис. 178 ), если магнит приближать к кольцу южным полюсом? Если изменится, то как?
Правило Ленца соответствует закону сохранения энергии применительно к явлению электромагнитной индукции. В самом деле, если бы индукционный ток имел другое направление, он мог бы существовать без затрат энергии, что противоречит закону сохранения энергии.
Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение. Была доказана взаимосвязь магнитных и электрических явлений, что послужило в дальнейшем отправным пунктом для разработки теории электромагнитного поля.
§ 32. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции
Открыв явление электромагнитной индукции, Фарадей практически за полтора месяца установил все его существенные закономерности. Ему стала понятна сущность явления, которое сыграло такую важную роль для человечества: во всех экспериментах, проведённых им, индукционный ток в проводящем контуре возникал в результате изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Фарадей не только открыл явление электромагнитной индукции, но и первым продемонстрировал, «что можно создать постоянный ток электричества при помощи обыкновенных магнитов», сконструировав устройство, позволяющее преобразовывать механическую энергию в электрическую.
Направление индукционного тока. Опыты Фарадея показали, что направление индукционного тока, вызванного возрастанием магнитного потока, противоположно направлению индукционного тока, вызванного его уменьшением. Исследовав явление электромагнитной индукции, петербургский академик Эмилий Христианович Ленц ( 1804–1865 ) в 1833 г. сформулировал правило для определения направления индукционного тока (правило Ленца): возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный ток имеет такое направление, при котором создаваемый им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, противодействует изменению магнитного потока, вызывающему этот индукционный ток. Это означает, что при возрастании магнитного потока магнитное поле индукционного тока направлено против внешнего поля, а при убывании — магнитное поле индукционного тока направлено так же, как и внешнее поле.
В более сжатой форме правило Ленца можно сформулировать следующим образом: индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.
Правило Ленца можно проиллюстрировать, используя два алюминиевых кольца (одно из них с разрезом), закреплённых на стержне, свободно вращающемся вокруг вертикальной оси ( рис. 178 ). Из опыта следует, что при приближении постоянного магнита к сплошному кольцу оно отталкивается от магнита; при удалении магнита — кольцо притягивается к нему. Отталкивание и притяжение сплошного кольца объясняют возникновением в нём индукционного тока при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную кольцом. Очевидно, что при приближении магнита к кольцу направление индукционного тока таково, что индукция магнитного поля тока противоположна индукции магнитного поля постоянного магнита ( рис. 179 ). При удалении магнита индукции магнитных полей тока и магнита совпадают по направлению. При движении магнита относительно кольца с разрезом взаимодействие не наблюдается, так как индукционный ток отсутствует.
Чтобы определить направление индукционного тока по правилу Ленца, необходимо выполнить следующие операции ( рис. 180 ):
1) определить направление линий индукции внешнего магнитного поля ;
2) выяснить, увеличивается или уменьшается магнитный поток через поверхность, ограниченную проводящим контуром;
3) определить направление линий индукции магнитного поля индукционного тока : если приращение магнитного потока ΔФ < 0, то направления индукций внешнего магнитного поля и магнитного поля индукционного тока совпадают, если ΔФ >0, то — противоположны;
4) зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока , по правилу буравчика (правилу часовой стрелки) определить направление индукционного тока.
От теории к практике
Изменится ли направление индукционного тока (см. рис. 178 ), если магнит приближать к кольцу южным полюсом? Если изменится, то как?
Правило Ленца соответствует закону сохранения энергии применительно к явлению электромагнитной индукции. В самом деле, если бы индукционный ток имел другое направление, он мог бы существовать без затрат энергии, что противоречит закону сохранения энергии.
Открытие явления электромагнитной индукции имело большое значение. Была доказана взаимосвязь магнитных и электрических явлений, что послужило в дальнейшем отправным пунктом для разработки теории электромагнитного поля.
Закон электромагнитной индукции. Анализируя результаты опытов Фарадея, Максвелл в 1873 г. пришёл к выводу, что ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, т. е.
Чтобы обеспечить строгое равенство в выражении (32.1), необходимо учесть направление индукционного тока. Согласно правилу Ленца при увеличении магнитного потока ЭДС индукции отрицательная и, наоборот, при уменьшении магнитного потока ЭДС индукции положительная . Тогда
Таким образом, ЭДС электромагнитной индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.
Выражение (32.2) называют законом электромагнитной индукции Фарадея , подчёркивая этим заслуги учёного в изучении указанного явления. Следует отметить, что данный закон является универсальным, т. е. ЭДС индукции не зависит от способа изменения магнитного потока.
Зная ЭДС индукции, можно определить силу индукционного тока. Согласно закону Ома для полной цепи:
где R — сопротивление проводника, из которого изготовлен замкнутый проводящий контур.
От теории к практике
На рисунке 181 представлен график зависимости магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, от времени. Определите ЭДС индукции в моменты времени t1 = 30 мс и t2 = 60 мс.
1. Как формулируют правило Ленца?
2. Как объяснить результаты опытов со сплошным алюминиевым кольцом и движущимся постоянным магнитом?
3. Как определяют направление индукционного тока?
4. Каково направление индукционного тока в сплошном алюминиевом кольце, к которому подносят магнит ( рис. 182 )? Как будет двигаться кольцо? Что будет, если магнит подносить к кольцу с разрезом?
5. Как формулируют закон электромагнитной индукции?
6. Почему в формуле, являющейся математическим выражением закона электромагнитной индукции, стоит знак «минус»?
7. Почему при замыкании цепи катушки алюминиевое кольцо, надетое на сердечник, состоящий из железных стержней, вставленных в катушку ( рис. 182.1 ), поднимается вверх?
Пример решения задачи
Определите направление индукционного тока в соленоиде, изображённом на рисунке 183.
Решение. При приближении северного полюса магнита к соленоиду в нём индуцируется электрический ток такого направления, при котором ближайший к магниту конец соленоида приобретает свойства северного магнитного полюса. Определяя направление тока по правилу буравчика (правилу часовой стрелки), отмечаем, что ток в соленоиде направлен от точки А к точке В. При удалении северного полюса магнита от соленоида в нём возникает индукционный ток, направленный от точки В к точке А.
Упражнение 23
1. На рисунках 184, а, б стрелками показаны направления индукционных токов в соленоидах. Определите направления движения магнитов в каждом случае.
2. Круговой контур радиусом r = 12 см находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого В = 0,40 Тл. Определите магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, если: а) линии индукции магнитного поля параллельны нормали к этой поверхности; б) поверхность, ограниченная контуром, параллельна линиям индукции магнитного поля; в) линии индукции магнитного поля образуют угол α = 30° с этой поверхностью.
3. Ось соленоида, состоящего из N = 100 витков, параллельна линиям индукции однородного магнитного поля, модуль индукции которого В = 0,20 Тл. Определите магнитный поток через поверхности, ограниченные всеми витками соленоида, если площадь каждой из них S = 16 см 2 .
4. Определите промежуток времени, в течение которого магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым проводником, равномерно уменьшился на |ΔФ| = 0,20 Вб, если индуцированная в проводнике ЭДС = 0,80 В.
5. Определите магнитный поток через поверхность, ограниченную витком соленоида, который состоит из N = 100 витков, если при равномерном уменьшении до нуля модуля индукции однородного магнитного поля в соленоиде в течение промежутка времени Δt = 5,0 мс индуцируется ЭДС = 20 В.
6. Установите соответствие между различными способами изменения электрического тока в цепи ( рис. 184.1 ) и направлением индукционного тока, возникающего при этом в катушке СD.
| Способы изменения электрического тока в цепи | Направление индукционного тока в катушке СD |
| А. Замыкание цепи. Б. Размыкание цепи. В. Перемещение ползунка реостата вправо при замкнутой цепи. Г. Перемещение ползунка реостата влево при замкнутой цепи. |
1. От С к D. 2. От D к С. |
7. Проводящий контур с площадью ограниченной им поверхности S = 0,16 м 2 и сопротивлением R = 5,0 мОм находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого ежесекундно увеличивается на ΔВ = 0,50 мТл . Определите количество теплоты, выделяющееся в контуре за промежуток времени t = 1,0 ч .
8. В однородном магнитном поле вращается стержень длиной l = 1,0 м с постоянной угловой скоростью, модуль которой ω = 10 . Ось вращения проходит через один из концов стержня параллельно линиям магнитной индукции. Определите ЭДС индукции, возникающую в стержне, если модуль индукции магнитного поля В = 80 мТл .
9. Круговой виток диаметром D = 20 см из медного провода, площадь поперечного сечения которого S = 1,2 мм 2 , расположен в однородном магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции. Определите, какой заряд пройдёт по витку, если: а) направление поля изменить на противоположное; б) виток вытянуть в сложенный вдвое отрезок прямой. Модуль индукции магнитного поля В = 40 мТл . Удельное сопротивление меди ρ = 1,68 · 10 −8 Ом · м .
Урок на тему: «Направление индукционного тока. Правило Ленца» (11 класс)
Цели: разъяснить сущность правила Ленца и научить учащихся пользоваться им для определения направления индукционного тока.
Образовательные :
· объясняют индукционный ток;
· учаться пользоваться правилом Ленца;
Развивающая :
· развивают умение применять данные знания на практике и в жизни;
· расширяют кругозор об окружающем мире;
· развивают логическое мышление, речь, память;
Воспитательная :
· воспитывают интерес к физике;
· формируют научное мировоззрение.
Тип урока : урок изучения нового материала
Методы урока : словесный , наглядный
I. Орг. момент.
Приветствие, проверка присутствующих. Объяснение хода урока.
II. Проверка и актуализация знаний
1. В чем состоит сущность явления электромагнитной индукции?
2. Укажите способы определения направления вектора магнитной индукции.
3. Дайте понятие магнитного потока и единицы измерения.
III. Сообщение темы и постановка целей урока
Тема сегодняшнего нашего урока: “Направление индукционного тока. Правило Ленца”.
IV. Изучение нового материала
Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называют явлением электромагнитной индукции.
Ток, возникающий в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, называют индукционным током.
При рассмотрении явления электромагнитной индукции мы не обращали особого внимания на направление индукционного тока в контуре. Остановимся теперь на этом вопросе. Опыт показывает, что направление индукционного тока в контуре зависит от того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур.
Исследовав в 1831 году все важнейшие стороны электромагнитной индукции, Фарадей установил несколько правил для определения направления индукционного тока в различных частных случаях, однако общее правило ему найти не удалось. Оно было установлено позднее, в 1834 году, петербургским академиком Э.Х. Ленцем.
Правило Ленца: Возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.
1. Анализ опытов с прибором Петроевского
2. Демонстрация справедливости закона Ленца с помощью катушки, магнита и гальванометра.
3. Явление индукционного тока в сплошных проводниках. Применение и учет этого явления в технике.
Если правую руку расположить так, чтобы вектор B входил в ладонь, а отогнутый на 90 о большой палец был направлен по движению проводника, то четыре пальца руки укажут направление индукционного тока проводнике.
V. Закрепление изученного материала
1. На рисунке изображены замкнутый проводник и вектор индукции магнитного поля. Определить направление индукционного тока в проводнике, если магнитный поток, пронизывающий контур этого проводника, возрастает.
2. Определить направление индукционного тока в проводнике, изображенном на рисунке, учитывая направление движения магнита.
3. Определите магнитный поток, пронизывающий плоскую прямоугольную площадку со сторонами 25 см и 60 см, если магнитная индукция во всех точках площадки равна 1,5 Тл, а вектор магнитной индукции образует с нормалью к этой площадке угол 45 °.
4. Определите площадь контура, если известно, что пронизывающий его магнитный поток равен 0,25 мВб. Вектор магнитной индукции составляет угол 45 ° с нормалью к контуру, а его модуль равен 30 мТл.
VI. Рефлексия
· Все ли было понятно на уроке? Что вызвало трудности?
· Что мы сегодня изучили?
VII. Домашнее задание : § 3 по учебнику физика 11 класс, Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., конспект, решить задачи.
Магнитный поток через квадратную проволочную рамку со стороной 2 см, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции однородного магнитного поля, равен 0,1 мВб. Каков модуль вектора магнитной индукции поля?