Как посчитать напряжение индукционного тока
Перейти к содержимому

Как посчитать напряжение индукционного тока

  • автор:

§ 139. Направление индукционного тока. Правило Ленца.

В опытах, описанных в предыдущем параграфе, мы видели, что в различных случаях направление индукционного тока может быть различно: отброс гальванометра происходил иногда в одну сторону, иногда – в другую. Теперь мы постараемся найти общее правило, которым определяется направление индукционного тока.

Для этого проследим внимательно за направлением тока в каком-нибудь индукционном опыте, например в опыте, изображенном на рис. 254, а. Схема этого опыта показана на рис. 261, причем каждая из катушек I и II изображена в виде одного витка, а стрелки и указывают соответственно направление первичного тока в катушке I и направление индукционного тока в катушке II.

327.jpg

Рис 261. Связь между направлением первичного тока , создающего магнитное поле, и направлением индукционного тока : а) при усилении магнитного поля; б) при ослаблении магнитного поля

Рис. 261, а относится к случаю, когда ток усиливается, а рис. 261, б – к случаю, когда он ослабляется. Мы видим, что в первом случае, т. е. при усилении магнитного поля, и следовательно, при увеличении магнитного потока, токи в катушках I и II имеют противоположные направления; напротив, в случае, когда индукция происходит вследствие ослабления магнитного поля, т. е. при уменьшении магнитного потока, оба тока и имеют одинаковые направления. Иначе можно сказать, что когда причиной индукции является усиление магнитного потока, пронизывающего площадь контура, то возникающий индукционный ток направлен так, что он ослабляет первоначальный магнитный поток. Напротив, когда индукция происходит вследствие ослабления магнитного потока, магнитное поле индукционного тока усиливает первоначальный магнитный поток.

Полученный нами результат можно сформулировать в виде общего правила:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле уменьшает (компенсирует) изменение магнитного потока, являющееся причиной возникновения этого тока.

Это общее правило соблюдается во всех без исключения случаях индукции. Рассмотрим, в частности, случай, когда индукция вызывается перемещением контура или части его относительно магнитного поля. Такой опыт изображен на рис. 253, а схема его показана на рис. 262, причем стрелки на витке указывают направление тока, индуцируемого в катушке при ее приближении к северному полюсу магнита (рис. 262, а) или при ее удалении от этого полюса (рис. 262, б). Пользуясь правилом буравчика (§ 124), легко определить направление магнитного поля индукционного тока и убедиться, что оно соответствует сформулированному выше правилу.

Рис. 262. Направление индукционного тока, возникающего в контуре: а) при приближении к нему магнита; б) при удалении от него магнита

Обратим теперь внимание на такой факт. Когда в катушке возникает индукционный ток, она становится эквивалентной магниту, положение северного и южного полюсов которого можно определить по правилу буравчика. На рис. 262 показано, что в случае а) на верхнем конце катушки возникает северный полюс, а в случае б) – южный полюс. Из этого рисунка мы видим, что когда мы приближаем к индукционной катушке, скажем, северный полюс магнита , то на ближайшем к нему конце катушки возникает также северный полюс, а когда мы удаляем от катушки северный полюс магнита , то на ближайшем конце катушки возникает южный полюс. Но, как мы знаем, магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами, отталкиваются, а разноименными, – притягиваются. Поэтому, когда индукция происходит вследствие приближения магнита к катушке, то силы взаимодействия между магнитом и индукционным током отталкивают магнит от катушки, а когда индукция происходит при удалении магнита от катушки, то они притягиваются друг к другу. Таким образом, для случаев, когда индукция происходит вследствие движения магнита или всего индукционного контура в целом, мы можем установить следующее общее правило, по существу равносильное правилу, сформулированному выше, но для этих случаев более удобное:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что взаимодействие его с первичным магнитным полем противодействует тому движению, вследствие которого происходит индукция.

Это правило носит название правила Ленца.

Правило Ленца стоит в тесной связи с законом сохранения энергии. В самом деле, представим себе, например, что при приближении северного полюса магнита к соленоиду ток в нем имел бы направление, противоположное тому, какого требует правило Ленца, т. е. что на ближайшем к магниту конце соленоида возникал бы не северный, а южный полюс. В этом случае между соленоидом и магнитом возникли бы не силы отталкивания, а силы притяжения. Магнит продолжал бы самопроизвольно и со все большей скоростью приближаться к соленоиду, создавая в нем все большие индукционные токи и тем самым все более увеличивая силу, притягивающую его к соленоиду. Таким образом, без всякой затраты внешней работы мы получили бы, с одной стороны, непрерывное ускоренное движение магнита к соленоиду, а с другой, все более возрастающий ток в соленоиде, способный производить работу. Ясно, что это невозможно и что индукционный ток не может иметь другого направления, чем то, которое указывается правилом Ленца. В том же можно убедиться, рассматривая и другие случаи индукции.

На рис. 263 показан очень простой и наглядный опыт, иллюстрирующий правило Ленца. Алюминиевое кольцо, служащее индукционной катушкой, подвешено вблизи полюсов сильного магнита или электромагнита, который можно передвигать по рельсу. Отодвигая магнит от кольца, увидим, что кольцо следует за ним. Напротив, придвигая магнит к кольцу, обнаружим, что кольцо уходит от магнита. В обоих случаях при движении магнита изменяется магнитный поток сквозь кольцо, и в кольце возникает индукционный ток. По правилу Ленца этот ток направлен так, что взаимодействие его с перемещающимся магнитом тормозит движение магнита; согласно третьему закону Ньютона (см. том I) силы противодействия приложены к кольцу и вызывают его перемещения.

329-1.jpg

Рис. 263. Индукционная катушка в форме кольца подвешена между полюсами магнита. Если магнит отодвигать от кольца, то кольцо следует за ним. Если магнит придвигать к кольцу, то оно уходит от магнита

На рис. 264 изображен аналогичный опыт, в котором прямолинейное движение заменено вращением. При вращении магнита 1 поле, оставаясь постоянным по модулю, вращается вместе с ним. Вследствие этого магнитный поток через кольцо 2 все время изменяется и в кольце индуцируется ток. Применяя правило Ленца и принимая во внимание третий закон Ньютона, мы легко поймем, что кольцо, помещенное во вращающееся магнитное поле, приходит во вращение в ту же сторону, в какую вращается поле.

Рис. 264. Вращение магнита 1 создает вращающееся магнитное поле, которое приводит во вращение кольцо 2

На этот опыт нужно обратить особое внимание, так как он облегчает понимание устройства одного из наиболее распространенных типов электрических моторов.

139.1. Рядом расположены два длинных проводника и (рис. 265); первый из них соединен с источником тока, второй – с гальванометром. Если каким-нибудь способом, например с помощью реостата, изменить силу тока в первом проводнике, то гальванометр обнаружит возникновение во втором проводнике индукционного тока. Объясните этот опыт. Как проходят в этом случае линии магнитного поля и где находится индукционный контур? Как направлен индукционный ток при усилении и при ослаблении первичного тока?

330.jpg

Рис. 265. К упражнению 139.1

139.2. Для индукционного опыта, изображенного на рис. 258, определите, пользуясь правилом Ленца и правилом левой руки, направление индукционного тока, предполагая, что магнитное поле направлено снизу вверх, а проводник движется слева направо. Как изменится направление индукционного тока, если изменить на обратное направление магнитного поля или направление движения проводника? Для направления тока в проводнике сформулируйте аналогичное «правило правой руки».

139.3. Производится индукционный опыт, изображенный на рис. 260. Знаки полюсов батареи указаны на рисунке. Определите направление тока в катушке II при вдвигании железного сердечника и при выдвигании его из катушки I.

Как посчитать напряжение индукционного тока

— ЭДС.
ЭДС не является силой в Ньютоновом смысле (неудачное название величины, сохраненное как дань традиции).
εi возникает при изменении магнитного потока Ф, пронизывающего контур.

— ЭДС индукции.

— ЭДС индукции при движении одного из проводников контура (так, чтобы менялся Ф). В этом случае проводник длиной l, движущийся со скоростью v становится источником тока.

— ЭДС индукции в контуре, вращающемся в магнитном поле со скоростью ω.

Другие формулы, где встречается ЭДС:

— закон Ома для полной цепи. В замкнутой цепи ЭДС рождает электрический ток I.

Направление индукционного тока определяют по правилам:
— правило Ленца — возникающий в замкнутом контуре индукционный ток противодействует тому изменению магнитного потока, которым вызван данный ток;
— для проводника, движущегося в магнитном поле, иногда проще воспользоваться правилом правой руки — если расположить раскрытую ладонь правой руки так, чтобу в нее входили силовые линии магнитного поля В, а большой палец, отставленный в сторону указывал направление скорости v, то четыре пальца руки укажут направление индукционного тока I.

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.

Рис. Рис.

Рис.

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.

Определение направления индукционного тока

Физика Класс - Учебники, статьи, иллюстрации по физике для 10-11 классов, физическая энциклопедия

Чтобы определить направление индукционного тока, возникающего в проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего контур, поставим следующий опыт.

Будем приближать магнит к алюминиевому кольцу, закрепленному на свободно вращающемся стержне (рис. 15.1).

Мы увидим, что кольцо при этом отталкивается от магнита.

Если же приближать магнит к такому же, но разрезанному кольцу (изображенному на рис. 15.1 справа), кольцо останется в покое.

В чем же причина этих эффектов?

Раз сплошное кольцо взаимодействует с магнитом, значит, в этом кольце идет ток. И понятно, почему он возник: при приближении магнита увеличивается поток магнитной индукции, пронизывающий кольцо, а это порождает индукционный ток.

Понятно также, почему не взаимодействует с магнитом разрезанное кольцо: из-за разреза в нем просто не может идти ток.

Выясним теперь, почему направление индукционного тока в кольце таково, что кольцо отталкивается от магнита?

Ответ на этот вопрос дает закон сохранения энергии.

Если кольцо отталкивается от магнита, то и магнит отталкивается от кольца (по третьему закону Ньютона). Следовательно, приближая магнит к кольцу, мы совершаем положительную работу, то есть затрачиваем энергию. Эта энергия превращается в энергию магнитного поля индукционного тока.

Закон сохранения энергии помогает найти ответ и на вопрос: как направлена магнитная индукция возникшего тока?

Заметим, что при приближении магнита к кольцу магнитная индукция внутри кольца увеличивается. Если индукция магнитного поля тока в кольце была бы направлена в ту же сторону, что индукция магнитного поля магнита, то общее изменение магнитного потока через кольцо увеличилось бы еще больше, вследствие чего сила индукционного тока возросла бы еще.

Это привело бы к новому увеличению магнитного потока, а вместе с ним к еще большему возрастанию силы тока. Но такое «беспричинное» возрастание индукционного тока и магнитного поля явно противоречило бы закону сохранения энергии.

Итак, мы приходим к выводу, что магнитное поле индукционного тока ослабляет изменение магнитного поля магнита.

Смотрите также похожие статьи.

  • Возникновение индукционного тока при изменении силы тока в другой катушке
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение индукционного тока в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение тока в одной катушке при изменении тока в другой катушке
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение индукционного тока в неподвижном проводнике
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение индукционного тока в движущемся проводнике
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение индукционного тока при движении магнита
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 1. Правило Ленца
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Взаимодействие кольца и магнита
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • ОМ ГЕОРГ СИМОН (1789-1854)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • Ход лабораторной работы 4. Определение коэффициента трения скольжения
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • Описание лабораторной работы 4. Определение коэффициента трения скольжения
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • 4. Определение коэффициента трения скольжения
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • Ход лабораторной работы 3. Определение жесткости пружины
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • Описание лабораторной работы 3. Определение жесткости пружины
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • 3. Определение жесткости пружины
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • Ход лабораторной работы 10. Определение коэффициента поверхностного натяжения
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • Описание лабораторной работы 10. Определение коэффициента поверхностного натяжения
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • 10. Определение коэффициента поверхностного натяжения
    Учебник по Физике для 10 класса -> Лабораторные работы
  • Определение коэффициента трения на опыте
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Принцип действия генератора электрического тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение индукционного тока при движении контура в магнитном поле
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Причины возникновения индукционного тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Направление магнитной индукции
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Единица силы тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Главное в главе 2. Законы постоянного тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Сила тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 2. Мощность тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Работа тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • § 10. Работа и мощность постоянного тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Измерение силы тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Магнитное действие тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Тепловое действие тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Химическое действие тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 2. Сила тока
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Лабораторная работа «опыт Фарадея»
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Измерение силы тока
    Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
  • ЛЕНЦ ЭМИЛИЙ ХРИСТИАНОВИЧ (1804 — 1865)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • КАВЕНДИШ ГЕНРИ (1731 – 1810)
    Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
  • Продольные волны
    Иллюстрации по физике для 10 класса -> Механические колебания и волны
  • Как понимают слова «вверх» и «вниз»?
    Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика
  • Поставим опыт к теме Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа
    Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
  • Главное в главе 4. Механические колебания и волны. Звук
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Главное в параграфе § 22. Механические волны. Звук
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Продольные волны
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Виды волн
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Задача 1. Условие равновесия тела на наклонной плоскости
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • От чего зависит сила трения скольжения?
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Как понимают слова «вверх» и «вниз»
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Ускорение при равномерном движении по окружности
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Глава 1. Кинематика
    Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
  • Открытие атомного ядра
    Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
  • Идея опыта Резерфорда
    Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
  • Построение изображения точки с помощью двух лучей
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Главное в главе 4. Электромагнитное поле
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Почему электрическую энергию передают на большие расстояния под высоким напряжением?
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Индуктивность
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Поставим опыт к теме 2. Явление самоиндукции
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • § 15. Правило Ленца. Индуктивность. Энергия магнитного поля
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Вопросы и задания к параграфу § 14. Электромагнитная индукция
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 2. Закон электромагнитной индукции
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Возникновение тока при относительном движении катушки и магнита
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • 1. Явление электромагнитной индукции
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • § 14. Электромагнитная индукция
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
  • Модуль магнитной индукции
    Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика

Электродинамика

Copyright © 2013-2024 Физика Класс. FizikaKlass.ru. Сайт, посвященный науке физике. Статьи, иллюстрации, вопросы и ответы по физике. Рассказы об ученых физики, а также большая физическая энциклопедия.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *