Определение направления индукционного тока
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.
§ 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.
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.
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?
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.
Правило нахождения направления индукционного тока в кольце
Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом токопроводящем контуре при изменении проходящего сквозь данный контур магнитного потока. При этом контур может находиться неподвижно в изменяющемся во времени магнитном поле или двигаться в постоянном магнитном поле таким образом, что магнитный поток, проходящий сквозь ограниченную этим контуром поверхность, меняется. Проходящий по контуру индукционный ток вызывает появление у контура собственного магнитного поля.
Взаимодействие магнита и проводящего контура
Возникновение индукционного тока демонстрирует следующий опыт: В замкнутое кольцо из алюминия или меди, подвешенное на нити, вдвигают постоянный магнит, повернутый к кольцу одним из полюсов. При этом кольцо начинает отталкиваться от магнита, проявляя свойства магнита, который сближается с другим магнитом одноименным полюсом. Если приближать магнит к кольцу другим полюсом, то кольцо поведет себя так же. Постоянный магнит помещают внутри кольца и начинают выдвигать. Кольцо будет тянуться за магнитом, то есть вести себя так, как один из двух магнитов, обращенных друг к другу противоположными полюсами. Разомкнутое кольцо не будет реагировать на приближение и отдаление магнита. Когда магнит приближается к кольцу, магнитный поток, проходящий сквозь кольцо, увеличивается. Возникающая в связи с этим электродвижущая сила порождает в замкнутом кольце индукционный ток, а проходящий по кольцу ток создает собственное магнитное поле. Ток при этом направлен так, что собственное магнитное поле кольца препятствует изменению входящего магнитного потока, то есть отталкивает постоянный магнит. В разомкнутом кольце также генерируется ЭДС, но тока не возникает. При выдвижении магнита из кольца магнитный поток уменьшается, в замкнутом кольце при этом также возникает индукционный ток с собственным магнитным полем, притягивающим постоянный магнит и препятствующим изменению (в данном случае — уменьшению) входящего магнитного потока. Подобный опыт можно провести, если использовать вместо кольца катушку, замкнутую на гальванометр. При перемещении магнита гальванометр показывает наличие тока в катушке. Причем при приближении магнита и, соответственно, увеличении магнитного потока, проходящего сквозь катушку, направление тока будет одним, а при отдалении магнита от катушки и уменьшении магнитного потока направление тока будет противоположным. Если держать магнит неподвижно, ток в катушке будет отсутствовать.
Определение направления индукционного тока
Правило Ленца
Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром, ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.
Направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается проходящий сквозь контур магнитный поток.
Правило Ленца соответствует закону электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению проходящего магнитного потока.
Правило правой руки
Если известно направление магнитного потока, вызванного индукционным током, то можно определить направление тока, используя правило правой руки или правило буравчика: Если обхватить катушку правой рукой так, чтобы большой палец указывал направление магнитного потока внутри катушки (на северный полюс катушки), то четыре пальца покажут направление тока в витках катушки.
Пример решения задачи
- при приближении магнита сторона В катушки приобретает свойства северного полюса магнита, следовательно, по правилу правой руки ток направлен от точки А к точке В;
- при отдалении магнита сторона В катушки проявляет свойства южного полюса, ток направлен от точки В к точке А.
Направление индукционного тока
Направление индукционного тока, возникающего в процессе явления электромагнитной индукции, неслучайно. Рассмотрим закономерности, по которым определяется это направление.
Электромагнитная индукция
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его, возникает электродвижущая сила (ЭДС), приводящая к возникновению индукционного тока.
Возникновение индукционного тока впервые обнаружил М. Фарадей в своих опытах. Если подключить катушку к гальванометру, и внутри нее двигать постоянный магнит, гальванометр будет отмечать появление индукционного тока:
Взаимодействие магнита и катушки
Если в опыте Фарадея двигающийся постоянный магнит будет связан с динамометром, то при движении динамометр будет фиксировать возникновение дополнительной силы. Происходит это потому, что возникающий в катушке индукционный ток, как и любой другой ток, приводит к появлению собственного магнитного поля, которое начинает взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита. Силу такого взаимодействия и будет фиксировать динамометр.
При движении магнита внутрь катушки сила будет направлена на выталкивание магнита. Однако, если мы начнем вынимать магнит из катушки, эта сила наоборот, начнет притягивать магнит, не давая его вынимать из катушки. То есть, возникающее магнитное поле в катушке в этих двух случаях имеет разное направление, а значит, и порождающий его ток также течет в разных направлениях.
Правило Ленца
Взаимодействие контура тока и магнитного поля изучалось русским физиком Э.Ленцем.
Он установил правило, которое было впоследствии названо его именем:
Индукционный ток, возникающий в контуре, всегда направлен так, чтобы препятствовать причине, его породившей.
И действительно, в соответствии с этим правилом, когда магнит вводится в катушку, возникающий в катушке ток создает такое магнитное поле, которое сопротивляется введению магнита. И наоборот – при выведении магнита из катушки, в ней возникает индукционный ток такого направления, чтобы препятствовать выведению магнита.
Обоснование правила Ленца
Для объяснения правила Ленца достаточно вспомнить закон сохранения энергии.
Возникающий в контуре ток, проходя по сопротивлению контура, совершает работу, которая тратится на нагревание провода катушки. Энергия для этого как раз и возникает при движении магнита. И, поскольку магнит должен при этом совершать положительную механическую работу – магнитное поле катушки должно быть направлено против поля самого магнита, в какую бы сторону он не двигался.
Только в этом случае магнит будет совершать положительную работу, энергия которой будет двигать заряды внутри контура, порождая индукционный ток, а индукционный ток, в свою очередь, будет совершать работу по нагреванию провода катушки (и отклонения стрелки гальванометра).
Что мы узнали?
Для определения направления индукционного тока используется правило, открытое Э. Ленцем. Индукционный ток всегда имеет такое направление, чтобы сопротивляться причине, его порождающей. Это правило является следствием законов сохранения.