Правило Ленца позволяет определять направление индукционного тока в контуре. Оно гласит: «направление индукционного тока всегда таково, что его действие ослабляет действие причины, вызывающей этот индукционный ток».
Например, если взять подвешенное на нити небольшое кольцо из меди, и попытаться внести в него северным полюсом достаточно сильный , то по мере приближения магнита к кольцу, кольцо начнет отталкиваться от магнита.
Это выглядит так, будто бы кольцо начинает вести себя подобно магниту, повернутому одноименным (в данном примере - северным) полюсом к вносимому в него магниту, и пытается таким образом вносимый магнит как бы ослабить.
А если магнит остановить в кольце, и начать из кольца выдвигать, то кольцо наоборот последует за магнитом, словно проявляя себя как тот же магнит, но теперь - обращенный противоположным полюсом к выдвигаемому магниту (отодвигаем северный полюс магнита - притягивается южный полюс, возникающий на кольце), пытаясь на этот раз усилить ослабляемое из-за выдвижения магнита магнитное поле.
Если проделать то же самое с разомкнутым кольцом, то кольцо реагировать на магнит не станет, хотя ЭДС в нем наведется, однако поскольку кольцо не замкнуто, индукционного тока не будет, а значит и направление его определять незачем.
Что на самом деле происходит здесь? Вдвигая магнит в целое кольцо - мы увеличиваем магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, и значит (поскольку , генерируемая в кольце ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока) в кольце генерируется ЭДС.
А выдвигая магнит из кольца - мы тоже изменяем магнитный поток через кольцо, только теперь не увеличиваем его, а уменьшаем, и возникающая ЭДС снова будет пропорциональной скорости изменения магнитного потока, но направлена в противоположную сторону. Поскольку контур представляет собой замкнутое кольцо, то ЭДС конечно порождает в кольце замкнутый ток. А ток создает вокруг себя магнитное поле.
Направление линий индукции магнитного поля, порождаемого в кольце тока, можно определить по правилу буравчика, и они окажутся направлены именно так, чтобы препятствовать поведению линий индукции вносимого магнита: линии внешнего источника входят в кольцо, из кольца, соответственно, - выходят, линии внешнего источника покидают кольцо, в кольцо, соответственно, - направляются.
Правило Ленца в трансформаторе
Теперь вспомним как в соответствии с правилом Ленца ведет себя нагруженный . Допустим, в первичной обмотке трансформатора ток нарастает, следовательно в сердечнике магнитное поле увеличивается. Увеличивается магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку трансформатора.
Поскольку вторичная обмотка трансформатора замкнута через нагрузку, то генерируемая в ней ЭДС породит индукционный ток, который создаст свое собственное магнитное поле вторичной обмотки. Направление этого магнитного поля будет таковым, чтобы ослаблять магнитное поле первичной обмотки. А значит ток в первичной обмотке будет увеличиваться (поскольку увеличение нагрузки во вторичной обмотке эквивалентно уменьшению индуктивности первичной обмотки трансформатора, а значит - понижению импеданса трансформатора для сети). И сеть станет совершать работу в первичной обмотке трансформатора, величина которой будет зависеть от нагрузки во вторичной обмотке.
Электрические и магнитные поля порождаются одними и теми же источниками – электрическими зарядами, поэтому можно предположить, что между этими полями существует определенная связь. Это предположение нашло экспериментальное подтверждение в 1831 г. в опытах выдающегося английского физика М.Фарадея. Он открыл явление электромагнитной индукции.
Явление электромагнитной индукции лежит в основе работы индукционных генераторов электрического тока, на которые приходится вся вырабатываемая в мире электроэнергия.
- Магнитный поток
Количественной характеристикой процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур является физическая величина называемая магнитным потоком . Магнитным потоком (Ф) через замкнутый контур площадью (S) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции (В) на площадь контура (S) и на косинус угла между вектором В и нормалью к поверхности : Φ = BS cos α. Единица магнитного потока Ф - вебер (Вб): 1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 .
перпендикулярен максимальный.
Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.
- Закон электромагнитной индукции
Опытным путем был установлен закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром: Эта формула носит название закона Фарадея .
Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея. В нем, чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.
- Правило Ленца
Зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский физик Э.Х.Ленц. Согласно правилу Ленца , возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Более кратко это правило можно сформулировать следующим образом: индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать причине, его вызывающей. Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея ).
Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине. Они могли вращаться вокруг оси, как коромысло. При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца оно стремилось «догнать» магнит. При движении же магнита внутри разрезанного кольца никакого движения не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
Урок по теме «Правило Ленца. Явление самоиндукции. Энергия магнитного поля».
Цель урока : научиться определять направление индукционного тока; на примере правила Ленца сформулировать представление о фундаментальности ЗСЭ; разъяснить сущность явления самоиндукции; вывести формулу для расчета энергии магнитного поля, выяснить физический смысл этой формулы.
План урока:
Проверка домашнего задания.
Изложение нового материала.
Закрепление.
Домашнее задание.
Проверка домашнего задания .
План изложения нового материала:
1. Направление индукционного тока.
2. Правило Ленца и ЗСЭ.
3. Явление самоиндукции.
4. ЭДС самоиндукции.
5. Индуктивность.
6. Применение и учет самоиндукции в технике.
7. Энергия магнитного поля тока.
Направление индукционного тока.
Вопросы к учащимся для актуализации прежних знаний:
Назвать две серии опытов Фарадея по исследованию явления электромагнитной индукции (возникновение индукционного тока в катушке при вдвигании и выдвигании магнита или катушки с током; возникновение индукционного тока в одной катушке при изменении тока в другой путем замыкания-размыкания цепи или использования реостата).
Зависит ли направление отклонения стрелки гальванометра от направления движения магнита относительно катушки? (зависит: при приближении магнита к катушке стрелка отклоняется в одну сторону, при удалении магнита – в другую).
Чем отличается (судя по показаниям гальванометра) индукционный ток, возникающий в катушке при приближении магнита, от тока, возникающего при удалении магнита (при одинаковой скорости движения магнита)? (ток отличается направлением).
Таким образом, при движении магнита относительно катушки направление отклонения стрелки гальванометра (а, значит, и направление тока) может быть различным (слайд 5).
Сформулируем при помощи опыта Ленца правило нахождения направления индукционного тока (видеоролик «Демонстрация явления электромагнитной индукции»). Объяснение опыта Ленца (слайд 6): Если приближать магнит к проводящему кольцу, то оно начнет отталкиваться от магнита. Это отталкивание можно объяснить только тем, что в кольце возникает индукционный ток, обусловленный возрастанием магнитного потока через кольцо, а кольцо с током взаимодействует с магнитом.
Правило Ленца и закон сохранения энергии (слайд 7).
Если магнитный поток через контур возрастает, то направление индукционного тока в контуре таково, что вектор магнитной индукции созданного этим током поля направлен противоположно вектору магнитной индукции внешнего магнитного поля.
Если магнитный поток через контур уменьшается, то направление индукционного тока таково, что вектор магнитной индукции созданного этим током поля сонаправлен вектору магнитной индукции внешнего поля.
Формулировка правила Ленца (слайд 8): индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток всегда стремится скомпенсировать то изменение магнитного потока, которое вызвало данный ток.
Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии.
Рассмотрим пример проявления правила Ленца в жизни (слайд 9) – парение магнита над сверхпроводящей чашей. Кратко объяснить происходящее можно так: магнит падает; возникает переменное магнитное поле; возникает вихревое электрическое поле; в сверхпроводнике возникают незатухающие кольцевые токи; согласно правилу Ленца направление этих токов таково, что магнит отталкивается от сверхпроводника; магнит «парит» над чашей.
Явление самоиндукции.
Прежде, чем рассмотреть явление самоиндукции, вспомним, в чем заключается суть явления электромагнитной индукции – это возникновение индукционного тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Рассмотрим один из вариантов опытов Фарадея (слайд 10): Если в цепи, содержащей замкнутый контур (катушку) менять силу тока, то в самом контуре возникнет ещё и индукционный ток. Этот ток также будет подчиняться правилу Ленца.
Рассмотрим опыт по замыканию цепи, содержащей катушку (слайд 11). При замыкании цепи с катушкой определенное значение силы тока устанавливается лишь спустя некоторое время.
Определение самоиндукции (слайд 12): САМОИНДУКЦИЯ – возникновение вихревого электрического поля в проводящем контуре при изменении силы тока в нем; частный случай электромагнитной индукции.
Вследствие самоиндукции замкнутый контур обладает «инертностью»: силу тока в контуре, содержащем катушку, нельзя изменить мгновенно.
ЭДС самоиндукции (слайд 13). Какова формула закона электромагнитной индукции?
(ℰ i = -). Если магнитное поле создано током, то можно утверждать, что Ф ~ В ~ I , т.е. Ф ~ I или Ф= LI , где L – индуктивность контура (или коэффициент самоиндукции). Тогда закон электромагнитной индукции в случае самоиндукции примет вид: ℰ si = - = - или ℰ si = - L (формула для расчета ЭДС самоиндукции).
Индуктивность (слайд 14).
Если из формулы для расчета ЭДС самоиндукции выразить коэффициент пропорциональности L , получим: L = ℰ si / . Затем приравняем к единице значения величин, которые мы непосредственно можем задать – величину скорости изменения силы тока 1 ампер в секунду. Получим формулу, отражающую физический смысл коэффициента самоиндукции (индуктивности): индуктивность контура численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
Единицы измерения индуктивности в системе СИ: = 1 = 1 Гн (генри).
Применение и учет самоиндукции в технике (слайд 15).
Вследствие явления самоиндукции при размыкании цепей, содержащих катушки со стальными сердечниками (электромагниты, двигатели, трансформаторы) создается значительная ЭДС самоиндукции и может возникнуть искрение или даже дуговой разряд. В качестве домашнего задания предлагаю (по желанию) подготовить презентацию на тему «Как устранить нежелательную самоиндукцию при размыкании цепи?».
Энергия магнитного поля (слайд 16):
Вспомним опыт, подтверждающий существование явления самоиндукции: при замыкании цепи лампочка вспыхивала не сразу, но и при размыкании цепи с катушкой лампочка вместо того, чтобы, погаснуть, на короткое время вспыхивала. Очевидно, для вспышки лампочки необходима энергия. И энергия эта запасается в катушке в виде энергии магнитного поля. Для вывода энергии магнитного поля используем аналогию между установлением в цепи электрического тока величиной I и процессом набора телом скорости V .
1. Установление в цепи тока I происходит постепенно.
1. Достижение телом скорости V происходит постепенно.
2. Для достижения силы тока I необходимо совершить работу.
2. Для достижения скорости V необходимо совершить работу.
3. Чем больше L , тем медленнее растет I .
3. Чем больше m , тем медленнее растет V .
4. W м =
4. E к =
Закрепление (слайд 17) - вопросы 1 - 8 на стр. 113 учебника.
Домашнее задание (слайд 18) - § 15
Правило Ленца определяет направление индукционного тока, возникающего в результате электромагнитной индукции
Анимация
Описание
"Если металлический проводник передвигается вблизи гальванического тока или вблизи магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, которое вызывало бы движение покоящегося провода в направлении, прямо противоположном направлению движения, навязанного здесь проводу извне, в предположении, что находящийся в покое провод может двигаться только в направлении этого последнего движения или прямо противоположном". Профессор петербургского университета Э.Х.Ленц, 1833 год.
Правило Ленца основано на обобщении опытов по электромагнитной индукции .
В сжатой форме правило Ленца можно сформулировать так:
возникающий в замкнутом проводнике индукционный ток имеет такое направление, чтобы препятствовать изменению потока магнитной индукции, которое его вызывает .
То есть индукционный ток создает через площадь, ограниченную контуром собственный поток магнитной индукции, компенсирующий изменение потока магнитной индукции, которое его вызывает:
dФ = (В , d S ) Ю dФ = B Ч dS Ч cos a ,
где a - угол между вектором магнитной индукции внешнего поля и нормалью к плоскости витков соленоида.
Рассмотрим некоторые примеры.
1. Возьмем соленоид (катушку) C , замкнутый через гальванометр G (рис.1).
Возникновение индукционного тока в соленоиде при приближении у нему постоянного магнита
Рис. 1
Будем приближать к одному из его концов постоянный магнит, например, северным полюсом. В соленоиде возникнет электрический ток, который обнаружится по отклонению стрелки гальванометра. Направлен индукционный ток против часовой стрелки, если смотреть на соленоид со стороны магнита.
При приближении магнита к соленоиду поток вектора магнитной индукции, пронизывающий витки соленоида, возрастает, так как увеличивается магнитная индукция поля магнита. Магнитное поле индукционного тока в соленоиде направлено из соленоида наружу (правило буравчика), то есть компенсирует нарастание поля магнита. Соответствует правилу Ленца.
2. Возьмем соленоид C , замкнутый через гальванометр G . Будем удалять от одного из его концов постоянный магнит (рис. 2).
Возникновение индукционного тока в соленоиде при удалении от него постоянного магнита
Рис. 2.
При удалении магнита от соленоида поток вектора магнитной индукции, пронизывающий витки соленоида, убывает, так как уменьшается магнитная индукция поля магнита. Магнитное поле индукционного тока в соленоиде направлено внутрь соленоида (правило буравчика), то есть компенсирует убывание поля магнита. Соответствует правилу Ленца.
Очевидно, что результат опытов не изменится, если магнит будет неподвижен, а соленоид перемещаться.
Анализируя результаты этих двух опытов, можно сделать еще один вывод: при приближении северного полюса магнита к соленоиду индукционный ток создает магнитное поле, индукция которого направлена навстречу индукции магнитного поля магнита, и, следовательно, магнит и соленоид отталкиваются, то есть между ними возникает сила противодействующая движению магнита, которое вызывает возникновение индукционного тока. При удалении магнита магнит и соленоид притягиваются, то есть снова между ними возникает сила противодействующая движению магнита.
Правило Ленца является следствием закона сохранения энергии. Действительно, индукционные токи, как всякие другие электрические токи, совершают некоторую работу. Значит при движении замкнутого проводника (соленоида) в магнитном поле должна быть произведена дополнительная работа внешних сил. Эта и есть та работа, которая возникает за счет сил препятствующих движению магнита.
Изменение потока через витки соленоида C наблюдается и при рассмотрении относительного движения магнита южным полюсом к соленоиду C , замены магнита соленоидом или витком с током, замыкания и размыкания цепи такого соленоида (или витка), а также взаимные повороты соленоида C и элемента, создающего магнитное поле.
Временные характеристики
Время инициации (log to от -10 до 2);
Время существования (log tc от 15 до 15);
Ключевые слова
- магнитная индукция
- электромагнитная индукция
- магнитный поток
- поток вектора магнитной индукции
- замкнутый контур
- замкнутый проводник
- магнит
- магнитное поле
- электрический ток
- индукционный ток
- соленоид
- виток
- правило Ленца
- закон Ленца
- катушка
Разделы естественных наук:
Правило или закон Ленца получил своё имя в честь физика немецкого происхождения, жившего и преподававшего в России, Эмилия Ленца. Его правило подчиняется третьему закону Ньютона (на каждое действие существует равное противодействие) и закону сохранения энергии (в замкнутой системе энергия не может ни возникать, ни исчезать, поэтому сумма всех энергий в ней остаётся постоянной величиной).
В основании правила Ленца лежит выведенный Фарадеем закон электромагнитной индукции. Необходимо вспомнить, что по нему воздействующее на катушку стороннее переменное магнитное поле, вызывает в ней ЭДС.
Перемещение постоянного магнита к катушке или удаление его от неё изменяет магнитный поток, пронизывающий контур катушки. Величина ЭДС, наведённой в контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
В ситуациях а) и с), когда магнит приближают к катушке или удаляют от неё, в катушке начинают направленное движение электроны (индуцируется ток). В ситуации b) магнит неподвижен, следовательно, можно говорить, что магнитное поле постоянно и в катушке отсутствует ток.
Как узнать, куда направлен индуцированный ток?
Эмилий Ленц сформулировал простое правило (закон), которое объясняет направление индуцированного в катушке тока:
Индукционный ток протекает так, чтобы противодействовать своим магнитным полем изменяющемуся потоку внешнего магнитного поля, которым он вызван.
Объяснение правила Ленца
Для понимания закона Ленца, обратим внимание на две экспериментальных ситуации.
Магнит приближается к катушке
Северный полюс магнита стремятся приблизить к катушке. Магнитный поток, пронизывающий витки катушки, возрастает. Ток, появляющийся в катушке, создаёт вокруг неё магнитное поле. Оно по правилу Ленца выступает против увеличения магнитного потока через катушку. Такая ситуация возможна лишь тогда, когда ближайшая к магниту сторона катушки приобретает полярность северного полюса. Зная полярность, можно легко определить направление индукционного тока, применяя правило правой руки. Ток течёт в направлении против часовой стрелки.
Магнит удаляется от катушки
Когда северный полюс магнита удаляется от катушки, магнитный поток, пронизывающий катушку, уменьшается. В катушке возникает ток по закону Фарадея. Этот ток создаёт собственное магнитное поле. По правилу Ленца, это магнитное поле будет противодействовать уменьшению магнитного потока через катушку. Это возможно лишь в том случае, если на ближайшей к магниту стороне катушки существует южный магнитный полюс. Противоположные полюса притягиваются. Нам известна полярность катушки. Применим правило правой руки и определим направление тока в катушке. В этой ситуации он течёт по часовой стрелке.
