Практическое применение правило ленца 3 варианта
Перейти к содержимому

Практическое применение правило ленца 3 варианта

  • автор:

Правило Ленца. Формулировка. Применение

Закон Ленца [по имени рус. физика Э. Х. Ленца (1804-1865)] – основное правило, определяющее направление индукционных токов, возникающих вследствие явления электромагнитной индукции. Согласно закону, индуктивный ток всегда имеет такое направление, что его магнитное поле противодействует тем процессам, которые вызывают возникновение этого тока. Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Правило сформулировано в 1833 году Э. Х. Ленцем. Позднее оно было обобщено на все физические явления в работах Ле Шателье (1884 год) и Брауна (1887 год), это обобщение известно как принцип Ле Шателье — Брауна.

Эффектной демонстрацией правила Ленца является опыт Элиу Томсона.

Физическая суть правила

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея при изменении магнитного потока , пронизывающего электрический контур, в нём возбуждается ток, называемый индукционным. Величина электродвижущей силы, ответственной за этот ток, определяется уравнением [1] :

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.

Правило Ленца стоит в тесной связи с законом сохранения энергии. На основе открытого закона он впервые формулирует принцип обратимости электрических машин (1833), а в 1838 г. иэкспериментально подтверждает его с помощью генератора, обращенного им в двигатель.

Только четверть века спустя это открытие Ленца получило практическое применение и явилось одним из поворотных этапов в развитии электротехники и электромеханики.

Обратимость электрических машин вызвана одинаковым

устройством преобразователей электрической энергии в механическую и механической в электрическую. Таким образом, электрические машины взаимозаменяемы: любой электродвигатель может использоваться в качестве генератора и наоборот, электродинамическая головка может использоваться в качестве микрофона и наоборот, и т. п.

Правило Ленца применяется при расчетах и проектировании электронного и электромеханического оборудования.

Электромагнитная индукция

Опыты Фарадея. Направление индукционного тока. Правило Ленца. Электро-движущая сила индукции. Закон электромагнитной индукции. Вихревое элек-трическое поле. Токи Фуко. Скин-эффект.

21.1. Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция имеет исключительно важное научное и практическое значение. Открытием этого явления человечество обязано известному английскому физику М.Фарадею (1791–1867), который был уверен в том, что если электрический ток создает в пространстве магнитное поле, то должно существовать и обратное явление, т.е. магнитное поле должно создавать ток. В 1831 г. М.Фарадей провел серию исследований, в результате которых были выявлены следующие факты:

1. При движении постоянного магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, в ней возникает ток (стрелка гальванометра отклоняется), направление которого изменяется при изменении направления движения магнита (рис.21.1). Такое же явление наблюдалось, если магнит был неподвижен, а двигалась катушка.

2. В катушке, подключенной к гальванометру, возникает электрический ток, если относительно нее двигалась другая катушка, подключенная к источнику постоянного тока (рис.21.2).

3. Если две катушки располагались на общем каркасе и одна из них подключалась к гальванометру, а другая – к источнику постоянного тока, то в первой катушке возникает ток при изменении тока в другой (рис.21.3). Направление тока в цепи гальванометра на рис.21.3 соответствует возрастанию тока в другой катушке, это значит, что ползунок реостата перемещают вверх или замыкают ключ К.

Во всех рассмотренных случаях ток в цепи гальванометра возникал только при изменении магнитного потока, который пронизывал витки катушки, подключенной к гальванометру. При этом направление тока, вызванного возрастанием магнитного потока, было противоположно направлению тока, вызванного его уменьшением.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур получило название явления электромагнитной индукции.

21.2. Правило Ленца

На основе экспериментального исследования явления электромагнитной индукции Э.Ленц (1804–1865) в 1833 г. сформулировал правило для определения направления индукционного тока. В соответствии с этим правилом индукционный ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, который создал этот Индукционный ток (т.е. при возрастании магнитного потока направление магнитного поля индукционного тока противоположно направлению внешнего поля, при уменьшении – магнитное поле индукционного тока совпадает по направлению с внешним).

Для того чтобы определить направление индукционного тока по правилу Ленца, необходимо:

1) определить направление линий индукции внешнего магнитного поля B;

2) выяснить, увеличивается или уменьшается магнитный поток через поверхность, ограниченную проводящим контуром;

3) определить направление линий индукции магнитного поля индукционного тока B (если ΔΦ, то B и B направлены в одну сторону; если ΔΦ>0, то B и B направлены в противоположные стороны);

4) с учетом направления B по правилу правого винта определить направление индукционного тока (рис.21.4).

Правило Ленца является результатом закона сохранения энергии применительно к явлению электромагнитной индукции. Если бы индукционный ток имел направление, которое не соответствует этому правилу, то ток мог бы поддерживать себя сам без затрат энергии.

21.3. Закон электромагнитной индукции

В результате многочисленных опытов М.Фарадей установил, что сила индукционного тока в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Однако для существования тока в замкнутой цепи на свободные заряды должны действовать сторонние силы (т.е. должен быть источник ЭДС). В исследованиях Фарадея источником этих сторонних сил является переменное магнитное поле, создающее в цепи так называемую электродвижущую силу (ЭДС) индукции ( ԑ инд ). Если цепь замкнута, ЭДС индукции создает в этой цепи индукционный ток. Согласно определению ЭДС, ЭДС индукции, возбуждаемая в проводящем контуре изменяющимся магнитным потоком, количественно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль этого контура.

Рассмотрим механизм возникновения ЭДС индукции на следующем примере. Контур с током (рис.21.5) расположенный горизонтально, помещен в однородное магнитное поле, вектор индукции B которого направлен вертикально вниз.

Сторона l контура может скользить по двум другим параллельным проводникам. Сила трения проводника при контакте незначительна. На подвижную часть контура будет действовать сила Ампера FA=IBl, Под действием которой за малый промежуток времени dt проводник переместится вправо на расстояние dx. Сила Ампера выполнит работу

где dS и dΦ изменения площади контура и магнитного потока, пронизывающего этот контур. За тот же промежуток времени dt согласно закону Джоуля–Ленца в контуре выделится количество теплоты

где R – сопротивление контура. В соответствии с законом сохранения энергии можно записать:

где I ԑ dt – работа, затраченная источником тока за промежуток времени dt, откуда

Формула (21.1) является законом Ома для контура, в котором кроме ЭДС источника тока действует еще и ЭДС индукции, равная:

Формула (21.2) является универсальной и не зависит от способа изменения магнитного потока, пронизывающего контур. Она выражает основной закон электромагнитной индукции.

Знак «минус» в формулах для ЭДС индукции учитывает правило Ленца, в соответствии с которым при увеличении магнитного потока dΦ/dt > 0 ЭДС индукции отрицательна ( ԑ инд 0 ), и наоборот, при уменьшении магнитного потока dΦ/dt < 0ЭДС индукции положительна ( ԑ инд > 0 ).

Экспериментально было установлено, что ЭДС индукции, которая возникает в неподвижном контуре при изменении магнитного поля, не зависит от характеристик контура (материала, рода носителей тока, сопротивления и температуры контура).

21.4. Вихревое электрическое поле

Известно, что электрический ток в проводнике возникает только под действием электрического поля. Это относится и к индукционному току, возникающему в замкнутом контуре, который пронизывается переменным магнитным потоком. Так как стационарное (электростатическое) поле при этом в проводнике отсутствует, то следует предположить, что направленное движение свободных электронов в неподвижном проводнике контура происходит под действием электрического поля, которое создается переменным магнитным полем. Электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, называют Индукционным. Это поле не связано с электрическими зарядами, т.е. оно не электростатическое, а стороннее. Линии напряженности индукционного электрического поля замкнуты, поэтому его называют вихревым электрическим полем. Вихревой, т.е. непотенциальный характер индукционного электрического поля, является причиной того, что при перемещении заряда по замкнутой цепи выполняется работа, не равная нулю. Следовательно, циркуляция вектора напряженности этого поля по замкнутому контуру равна

Таким образом, ЭДС индукции, которая возникает в неподвижном замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле, равна работе вихревого электрического поля по перемещению единичного положительного заряда по всему этому контуру. Это позволило английскому физику Дж.Максвеллу (1831–1879) сделать вывод о том, что роль контура сводится только к индикации вихревого электрического поля, которое создается переменным магнитным полем.

Таким образом, физический смысл явления электромагнитной индукции заключается в возникновении вихревого электрического поля в любой точке пространства, где существует переменное магнитное поле независимо от того, есть там проводящий контур или нет. Направление линий напряженности вихревого электрического поля определяется по правилу Ленца (рис.21.6).

Если поместить в это поле замкнутый проводящий контур, то по нему в направлении линий напряженности электрического поля будет проходить индукционный ток. Этот ток создает индукционное магнитное поле, вектор индукции которого показан на рисунке штрихами.

21.5. Токи Фуко. Скин-эффект

Если индукционные токи возбуждаются в массивных сплошных проводниках, то они могут достигать больших значений и вызывать сильный нагрев проводника. Впервые явление нагрева массивных проводников в переменном магнитном поле наблюдал французский физик Ж.Фуко (1819–1868) в 1855 г. Индукционные токи, возникающие в массивных сплошных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле называют вихревыми токами или токами Фуко. Линии такого тока, как и силовые линии вихревого электрического поля, этот ток индуцирующего, замкнуты. Согласно правилу Ленца токи Фуко направлены так, чтобы своим действием противодействовать причине, которая их вызвала. Поэтому проводники, движущиеся в сильном магнитном поле, тормозятся в результате взаимодействия вихревых токов и магнитного поля. Это используется в демпферных приспособлениях для успокоения гальванометров, сейсмографов и рамок иных измерительных приборов.

Вихревые токи вызывают сильный нагрев проводника, что позволяет использовать их для плавления металлов в вакууме, получая особо чистые материалы. Индукционные печи, которые используются при этом, представляют собой катушки, по которым проходит большой высокочастотный ток. При помещении внутрь катушки проводящего тела в нем возникают вихревые токи, вызывающие его сильный нагрев. Таким способом осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок.

В некоторых случаях токи Фуко вредны. Они вызывают сильный нагрев сердечников трансформаторов и поэтому их изготавливают из тонких пластин, разделенных слоем диэлектрика.

Токами Фуко обусловлен и так называемый скин-эффект (поверхностный эффект). Если в проводах текут переменные токи, то токи Фуко ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Ток как бы вытесняется на поверхность проводника. Поэтому в высокочастотных проводах «бесполезную» внутреннюю часть удаляют. Скин-эффект используется для поверхностной закалки стали.

Задачи на применение закона Джоуля-Ленца с решением

Задачи на применение закона Джоуля-Ленца с решением

Закон Джоуля-Ленца описывает тепловое действие электрического тока и находит широкое применение в электротехнике. В сегодняшней статье разберем несколько задач на закон Джоуля-Ленца.

Лень решать задачи? Зайдите на наш телеграм-канал: там найдется много интересного для всех учащихся. А если вы решили обратиться к нам за помощью, не упустите выгоду и обязательно прочекайте приятные скидки и акции на нашем втором канале.

Закон Джоуля-Ленца: задачи с решением

Для решения любой физической задачи существует алгоритм: сначала записываются все известные данные, затем определяются величины, которые нужно найти. Подробнее о решении физических задач читайте в нашей памятке для студентов. Также советуем держать под рукой формулы, это существенно облегчит процесс решения.

Кстати, если вы интересуетесь задачами на закон Джоуля-Ленца, вам также может быть полезно ознакомиться с задачами на мощность тока.

Задача на закон Джоуля-Ленца №1

Условие

Какое количество теплоты выделяет за 5 минут нагреватель электрочайника, если его сопротивление равно 30 Ом, а сила тока в цепи 1,5 А?

Решение

Это простейшая задача на закон Джоуля-Ленца для участка цепи. Запишем сам закон:

Подставив значения из условия в формулу, найдем:

Q = 1 , 5 2 · 30 · 300 = 20250 Д ж

Ответ: 20,25 кДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №2

Условие

Какое количество теплоты выделит за 40 минут спираль электроплитки, если сила тока в цепи 3 А, а напряжение 220 В?

Решение

Эта также простейшая задача на закон Джоуля-Ленца, но, в отличие от первой задачи, при ее решении используется другая формулировка закона. Сначала запишем закон Джоуля-Ленца:

Теперь перепишем его с учетом закона Ома:

I = U R R = U I Q = I 2 U I t = I U t

Осталось подставить значения и вычислить:

Q = 3 · 220 · 2400 = 1 , 584 М Д ж

Ответ: 1,584 МДж.

Задача на закон Джоуля-Ленца №3

Условие

Сколько минут ток шел по проводнику сопротивлением 25 Ом, если при силе тока 1 А проводник вылелил 6 кДж теплоты.

Решение

Запишем закон Джоуля-Ленца и выразим время:

Q = I 2 R t t = Q I 2 R

t = 6000 1 2 · 25 = 240 c = 4 м и н

Ответ: 4 минуты.

При расчетах не забывайте переводить все величины из условия в систему СИ.

Задача на закон Джоуля-Ленца №4

Условие

Электрическая плитка при силе тока 4 А за 20 минут потребляет 1000 кДж энергии. Рассчитайте сопротивление плитки.

Решение

Выразим сопротивление из закона Джоуля-Ленца:

Q = I 2 R t R = Q I 2 t

Подставим значения и вычислим:

R = 1000 · 10 3 16 · 1200 = 52 О м

Ответ: 52 Ом.

Задача на закон Джоуля-Ленца №5

Условие

По проводнику с сопротивлением 6 Ом пропускали постоянный ток в течение 9 c. Какое количество теплоты выделилось в проводнике за это время, если через его сечение прошел заряд 3 Кл?

Решение

Заряд можно определить, зная время и силу тока. А зная заряд и врямя, за которое он прошел по проводнику, найдем силу тока:

Запишем закон Джоуля-Ленца для количества теплоты:

Q = I 2 R t Q = q 2 t 2 R t = q 2 R t

Подставим значения и вычислим:

Q = 3 2 · 6 9 = 6 Д ж

Ответ: 6 Дж.

Вопросы на закон Джоуля-Ленца

Вопрос 1. Как звучит закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца гласит:

Количество теплоты, выделившейся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Вопрос 2. Почему проводник с током нагревается?

Ответ. При прохождении тока по проводнику положительные ионы в узлах кристаллических решеток проводника за счет энергии тока начинают сильнее колебаться. Это сопровождается увеличением внутренней энергии проводника, т.е. его нагреванием. При этом энергия тока выделяется в виде теплоты, которую называют джоулевым теплом.

Вопрос 3. Как был открыт закон Джоуля-Ленца?

Ответ. По спирали, помещенной в калориметр с водой, пропускали электрический ток. Через некоторое время вода нагревалась. По температуре воды можно было вычислить количество выделившейся теплоты. Эмпирическим путем было доказано, что при прохождении тока по проводнику, обладающему определенным сопротивлением, в течение времени током совершается работа, проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц изучали зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока одновременно. Они пришли к одному и тому же выводу независимо друг от друга.

Вопрос 4. Как еще можно записать закон Джоуля-Ленца?

Ответ. Воспользовавшись законом Ома для участа цепи, закон Джоуля-Ленца можно переписать следующим образом:

Q = U I t = U 2 R t

Вопрос 5. Каково практическое применение закона Джоуля-Ленца?

Ответ. Закон Джоуля-Ленца находит широкое применение на практике:

  1. На нем основан принцип действия многих нагревательных приборов (чайник, электроплитка, фен, утюг, паяльник и т.д).
  2. На принципе закона Джоуля-Ленца основана контактная сварка, где создание неразъемного сварного соединения достигается путем нагрева металла за счет проходящего через него электрического тока и пластической деформации свариваемых деталей путем сжатия. Электродуговая сварка также использует закон Джоуля-Ленца.
  3. Расчеты на основе закона Джоуля-Ленца позволяют стабилизировать и минимизировать тепловые потери в линиях электропередач.

Нужна помощь в решении задач и выполнении других заданий по учебе? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся в любое время.

Мы поможем сдать на отлично и без пересдач

  • Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
  • Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
  • Курсовая работа от 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
  • Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Как пользоваться правилом Ленца?

Правило Ленца является важным правилом в электромагнетизме, которое описывает направление индуцированного электрического тока в замкнутом контуре, когда изменяется магнитное поле в этом контуре. Это правило формулируется следующим образом:

При изменении магнитного поля в замкнутом проводящем контуре индуцируется электрический ток, направление которого таково, что он создает магнитное поле, противоположное изменению первоначального магнитного поля.

Для пользования правилом Ленца, выполните следующие шаги:

  • Определите направление изменения магнитного поля: Начните с определения, как изменяется магнитное поле в отношении замкнутого проводящего контура. Например, если магнитное поле увеличивается или уменьшается, определите это изменение.
  • Используйте правило для определения направления индуцированного тока: В соответствии с правилом Ленца, направление индуцированного тока будет противоположным направлению изменения магнитного поля. Это означает, что индуцированный ток будет создавать магнитное поле, направленное так, чтобы сопротивляться изменению первоначального магнитного поля.
  • Примените правило к контуру: Определите направление индуцированного тока в замкнутом проводящем контуре. Это направление будет выбрано так, чтобы создать магнитное поле, которое противодействует изменению магнитного поля, вызвавшего индукцию.
  • Уточните направление по отношению к изменению: Если вы определили направление индуцированного тока, убедитесь, что оно действительно создает магнитное поле, направленное противоположно изменению магнитного поля. Если нет, пересмотрите выбор направления индуцированного тока.

Важно помнить, что правило Ленца применяется для случаев, когда изменяется магнитное поле в замкнутом контуре. Оно помогает определить направление индуцированного электрического тока, который создается в ответ на это изменение.

Пример практического применения правила Ленца

Примером практического применения правила Ленца может быть ситуация, когда вы двигаете магнит внутри катушки проводника. При этом изменяется магнитное поле внутри катушки, и в результате согласно правилу Ленца в ней будет индуцироваться электрический ток.

Допустим, у вас есть катушка проводника, через которую проходит электрический ток. Когда вы начинаете двигать магнит близко к катушке, магнитное поле, создаваемое магнитом, начинает проникать через проводники катушки, изменяя магнитное поле внутри неё. Согласно правилу Ленца, в ответ на это изменение магнитного поля внутри катушки, в ней будет индуцироваться электрический ток.

Теперь давайте определим направление индуцированного тока согласно правилу Ленца:

Магнит, двигаясь к катушке, изменяет магнитное поле так, как будто он пытается увеличить магнитное поле внутри катушки.

Согласно правилу Ленца, индуцированный ток будет стремиться создать магнитное поле, направленное противоположно изменению магнитного поля магнита. То есть, он будет создавать магнитное поле так, чтобы сопротивляться попытке увеличить магнитное поле.

Следовательно, индуцированный ток в катушке будет иметь такое направление, которое создает магнитное поле, направленное в противоположную сторону от движущегося магнита.

Этот индуцированный ток можно использовать для различных целей, таких как генерация электрической энергии или создание электромагнитов. Например, индукционные генераторы в электростанциях работают на основе этого принципа, когда движение магнитов относительно катушек проводников индуцирует электрический ток, который затем используется для производства электроэнергии.

пример опыта можно также увидеть на видео ниже:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *