Правило Ленца

опубликовано: .

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 магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктированную ЭДС.

Справедливость формулировки правила Ленца подтверждается следующими опытами:

Противодействие проводника с индуктированным током своему движению
Рисунок 1. Противодействие проводника с индуктированным током своему движению

1. Если расположить проводник в магнитном поле 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 правилу правой руки. 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 постоянный магнит 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 соленоид 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.

Противодействие соленоида движению магнита

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.

Возникновение индуктированного тока
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, отталкиваются 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 магнитный поток 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, притягиваются один к другому. Поэтому проводник ВГ будет стремиться протянуться к проводнику АБ, чтобы поддержать его убывающее магнитное поле.

Алюминиевое кольцо, свободное надетое на стальной сердечник катушки, подскакивает вверх в момент включения тока
Рисунок 4. Алюминиевое кольцо, свободное надетое на стальной сердечник катушки, подскакивает вверх в момент включения тока

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 электрический ток, 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:

Правило ленца формула

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 Правило ленца формулировка , показывает направление индуктированной ЭДС, то есть учитывает правило Ленца.

При увеличении магнитного потока выражение Правило ленца определение и формула 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:

Абсолютное значение ЭДС

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:

Величина индуктированной ЭДС в катушке

Произведение числа витков катушки на сцепленный с ними магнитный поток называется потокосцеплением катушки и обозначается буквой ψ. Поэтому закон электромагнитной индукции можно записать и в другой форме:

Источник: Кузнецов М.И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560с.

1 1 1 1 1 1 Рейтинг 1.00 (1 Голос)