Направление индукционного тока. Правило Ленца

Электрический ток порождает магнитное поле. Так, оно всегда возникает вокруг проводников с токов. При этом направление тока в проводнике и направление линий магнитной индукции связаны между собой. Эта связь отражена в правиле правой руки для прямого тока (или в правиле буравчика) и для соленоида (рисунок 1).

С другой стороны, электрический ток может быть порожден магнитным полем. Для этого необходимо, чтобы магнитный поток, пронизывающий некую площадь, ограниченную проводником, изменялся. Тогда мы наблюдаем явление электромагнитной индукции — в проводнике возникает индукционный ток.

Например, при вдвигании магнита в катушку и выдвигании из нее, в витках катушки возникает ток. При движении магнита внутрь катушки ток в витках направлен в одну сторону, а при движении магнита от катушки (при его извлечении из нее) ток меняет свое направление на противоположное. Об этом свидетельствуют показания гальванометра. Его стрелка отклоняется в разные стороны (рисунок 2).

Значит, в случае электромагнитной индукции тоже существует связь между направлением линий магнитной индукции внешнего поля (магнита) и направлением возникающего в проводнике тока. На данном уроке мы экспериментально выясним, как связаны эти направления и сформулируем правило Ленца, отражающее выявленные закономерности. 

Оборудование для опыта

Для опыта нам понадобится небольшой полосовой магнит и специальный прибор, изображенный на рисунке 3. Он представляет собой узкую алюминиевую пластинку. На ее концах расположены два алюминиевых кольца. Одно кольцо сплошное, а на втором есть разрез. Эта пластинка с кольцами помещена на стойку. Так она может свободно вращаться вокруг вертикальной оси.

Приближение магнита к кольцу

Возьмем полосовой магнит. Внесем его в кольцо с разрезом (рисунок 4). Мы увидим, что ничего не произошло. Кольцо осталось на месте, вся установка никуда не повернулась.

А теперь внесем магнит в сплошное кольцо. Сделаем это, используя северный полюс магнита. Мы увидим, что кольцо отталкивается от него (рисунок 5). При этом, уходя от магнита, кольцо приведет в движение весь прибор. Пластинка с кольцами поворачивается.

Теперь развернем магнит другим полюсом — южным. Снова вносим его в сплошное кольцо (рисунок 6). И кольцо снова отталкивается от него. Вся установка поворачивается.

{"questions":[{"content":"Причиной возникновения индукционного тока в проводнике является [[fill_choice_big-75]].","widgets":{"fill_choice_big-75":{"type":"fill_choice_big","options":["изменение магнитного потока, пронизывающего контур, ограниченный этим проводником","его нахождение в однородном магнитном поле","наличие в цепи дополнительного источника тока"],"answer":0}}}]}

Объяснение полученных результатов

Почему же при изменении вносимого полюса в магнит направление движения кольца не изменилось? Используя знания о магнитах, объясним наблюдаемые явления.

Поле полосового магнита является неоднородным (рисунок 7). Внутри магнита линии магнитной индукции направлены от южного полюса к северному. Здесь поле приближено к однородному. Но за пределами магнита линии расположены с различной густотой. Самое сильное поле мы можем наблюдать у полюсов магнита.

При движении магнита, обладающего таким полем, будет изменяться магнитный поток, проходящий через контур, помещенный в это магнитное поле.

Когда мы приближаем магнит к кольцу северным полюсом, магнитный поток, проходящий через него, изменяется. Он увеличивается (рисунок 8). А если есть изменение магнитного потока, значит в кольце возникает индукционный ток.

Точно так же магнитный поток увеличивается и при поднесении к кольцу южного полюса магнита (рисунок 9). В этом случае в кольце тоже возникает индукционный ток.

В кольце с разрезом индукционный ток не возникает. Контур такого кольца не является замкнутым, ток в нем возникнуть не может.

Индукционный ток, возникший в сплошном кольце, порождает собственное магнитное поле. Из-за этого кольцо приобретает свойства магнита. Оно взаимодействует с приближающимся магнитом и отталкивается от него. Для нас это означает, что кольцо и магнит обращены друг к другу одноименными полюсами.

{"questions":[{"content":"Если два тела при магнитном взаимодействии отталкиваются друг от друга, то они обращены друг к другу [[fill_choice_big-79]] полюсами.","widgets":{"fill_choice_big-79":{"type":"fill_choice_big","options":["одноименными","разноименными"],"answer":0}}}]}

Увеличение магнитного потока

Приближение магнита к кольцу северным полюсом

Рассмотрим вариант, когда мы подносим к кольцу северный полюс магнита (рисунок 10). Из этого полюса выходят его магнитные линии. Мы можем сказать, что вектор магнитной индукции магнита $\vec B_м$ в этой области направлен к кольцу. При этом мы наблюдаем отталкивание. Значит, вектор магнитной индукции поля кольца $\vec B_к$ направлен противоположно вектору $\vec B_м$.

Теперь мы знаем направление вектора индукции магнитного поля кольца. Следовательно, можем определить направление тока в нем. Для этого используем правило правой руки для соленоида (рисунок 11). Оно работает и для витка (в нашем случае — кольца) с током.

В нашем воображении обхватываем кольцо правой рукой так, чтобы большой палец совпадал с направлением вектора магнитной индукции $\vec B_к$. Наши четыре согнутых пальца указывают направление тока в кольце.

{"questions":[{"content":"При известном направлении вектора магнитной индукции $\\vec B_к$ направление индукционного тока в кольце можно определить с помощью правила [[fill_choice_big-82]].","widgets":{"fill_choice_big-82":{"type":"fill_choice_big","options":["правой руки для соленоида или его витка","левой руки","правого винта","буравчика"],"answer":0}}}]}

Приближение магнита к кольцу южным полюсом

При приближении южного полюса кольцо тоже отталкивалось от магнита. Поэтому мы можем судить о направлении вектора магнитной индукции поля, создаваемого кольцом — $\vec B_к$. Оно противоположно направлению вектора магнитной индукции магнита в этой области — $\vec B_м$.

Магнитные линии входят в южный полюс магнита. Поэтому вектор магнитной индукции $\vec B_м$ направлен к полюсу магнита (рисунок 12). Значит, вектор магнитной индукции кольца $\vec B_к$ направлен противоположно ему.

Чтобы определить направление тока в кольце с заданным направлением вектора магнитной индукции используем правило правой руки (рисунок 13). Если отставленный большой палец совпал с направлением магнитных линий (вектора $\vec B_м$), то четыре пальца обхватывают кольцо в направлении от нас. Это и будет направлением индукционного тока в нем.

{"questions":[{"content":"Линии магнитной индукции всегда выходят из [[fill_choice_big-86]].","widgets":{"fill_choice_big-86":{"type":"fill_choice_big","options":["северного полюса магнита и заходят в южный","южного полюса магнита и входят в северный","центра магнита и уходят в бесконечность"],"answer":0}}}]}

Вывод

В случае приближения магнита к кольцу оно отодвигается — отталкивается. При этом векторы $\vec B_м$ и $\vec B_к$ направлены противоположно друг другу.

Кольцо противодействует увеличению проходящего через него внешнего магнитного потока.

{"questions":[{"content":"При увеличении магнитного потока, проходящего через кольцо, оно будет [[fill_choice_big-90]].","widgets":{"fill_choice_big-90":{"type":"fill_choice_big","options":["отталкиваться от источника внешнего магнитного поля, противодействуя этому увеличению","притягиваться к источнику внешнего магнитного поля, способствуя этому увеличению","никак не реагировать на это изменение","приобретать свойства диэлектрика"],"answer":0}}}]}

Отдаление магнита от кольца

Перейдем ко второй части опыта. Теперь посмотрим, что будет происходить, если магнитный поток будет не увеличиваться, а уменьшаться.

Придержим кольцо рукой и внесем в него северный полюс магнита (рисунок 14).

Теперь одновременно отпускаем кольцо и начинаем удалять магнит от него. Кольцо больше не отталкивается. Теперь оно следует за магнитом — притягивается к нему (рисунок 15).

Здесь мы можем сделать выводы по аналогии с первой частью эксперимента. При изменении (уменьшении в данном случае) магнитного потока в кольце возник индукционный ток. Он породил магнитное поле кольца. Вследствие этого кольцо приобрело магнитные свойства. Его притяжение к магниту говорит нам о том, что кольцо и магнит обращены друг к другу разноименными полюсами.

Можно проделать то же самое и с южным полюсом магнита. Мы увидим, что пластинка с кольцами начинает поворачиваться — кольцо следует за удаляющимся южным полюсом магнита (рисунок 16). Мы наблюдаем его притяжение к магниту.

{"questions":[{"content":"Если кольцо притягивается к отдаляющемуся от него магниту, значит, магнит и кольцо обращены друг к другу [[fill_choice_big-94]] полюсами.","widgets":{"fill_choice_big-94":{"type":"fill_choice_big","options":["разноименными","одноименными"],"answer":0}}}]}

Уменьшение магнитного потока

Отдаление от кольца северного полюса магнита

Когда кольцо притягивается к северному полюсу магнита:

• магнитные линии выходят из северного полюса магнита. Значит, вектор магнитной индукции магнита $\vec B_м$ в этой области направлен к кольцу;
• так как кольцо притягивается, вектор магнитной индукции поля кольца $\vec B_к$ сонаправлен вектору $\vec B_м$ (рисунок 17).

Зная направление вектора индукции магнитного поля кольца, определим направление тока в нем с помощью правила правой руки (рисунок 18). 

{"questions":[{"content":"Чтобы определить направление тока в кольце (или витке проводника), нужно направить отставленный большой палец правой руки по направлению [[fill_choice-104]]. Тогда четыре согнутых пальца укажут направление [[fill_choice-108]].","widgets":{"fill_choice-104":{"type":"fill_choice","options":["магнитных линий его поля","тока в нем","направлению движения электронов в нем"],"answer":0},"fill_choice-108":{"type":"fill_choice","options":["тока в кольце","вектора магнитной индукции","северного полюса кольца"],"answer":0}}}]}

Отдаление от кольца южного полюса магнита

В этом случае вектор магнитной индукции магнита $\vec B_м$ направлен к его южному полюсу. Так как кольцо притягивалось к нему, вектор магнитной индукции $\vec B_к$ будет сонаправлен вектору $\vec B_м$ (рисунок 19).

Используем правило правой руки для определения направления тока в кольце (рисунок 20). Отставленный большой палец направляем по вектору магнитной индукции $\vec B_к$. Четыре согнутых пальца покажут нам направление тока в кольце.

{"questions":[{"content":"Индукционный ток существует в кольце [[fill_choice_big-118]].","widgets":{"fill_choice_big-118":{"type":"fill_choice_big","options":["только при движении магнита рядом с ним","при нахождении неподвижного магнита рядом с ним","независимо от магнита"],"answer":0}}}]}

Вывод

При удалении магнита от кольца мы наблюдаем его притяжение. При этом векторы $\vec B_м$ и $\vec B_к$ сонаправлены друг другу.

Магнитное поле индукционного тока в кольце противодействует уменьшению проходящего через него внешнего магнитного потока.

{"questions":[{"content":"При притяжении кольца к удаляющемуся магниту [[fill_choice_big-122]].","widgets":{"fill_choice_big-122":{"type":"fill_choice_big","options":["$\\vec B_к \\uparrow \\downarrow \\vec B_м$","$\\vec B_к \\uparrow \\uparrow \\vec B_м$"],"answer":1}}}]}

Направление индукционного тока

Итак, отталкивание кольца от магнита показывает нам, что индукционный ток в нем имеет определенное направление. Оно связано с направлением линий магнитной индукции $\vec B_к$ поля, порожденного этим индукционным током. При этом линии магнитной индукции $\vec B_к$ поля кольца будут направлены противоположно линиям магнитной индукции $\vec B_м$ внешнего поля. Поэтому мы говорим, что в случае увеличения магнитного потока кольцо и магнит будут обращены друг к другу одноименными полюсами.

При удалении магнита от кольца (уменьшении магнитного потока), индукционный ток направлен в кольце так, что линии индукции его магнитного поля $\vec B_к$ совпадают по направлению с линиями индукции $\vec B_м$ внешнего магнитного поля. Здесь мы говорим, что кольцо и магнит будут обращены друг к другу разноименными полюсами.

{"questions":[{"content":"Соотнесите изменение магнитного потока, пронизывающего кольцо, и направление векторов магнитной индукции.[[matcher-124]]","widgets":{"matcher-124":{"type":"matcher","labels":["Увеличение магнитного потока","Уменьшение магнитного потока"],"items":["$\\vec B_к \\uparrow \\downarrow \\vec B_м$","$\\vec B_к \\uparrow \\uparrow \\vec B_м$"]}}}]}

Правило Ленца

Таким образом, наблюдая взаимодействие кольца и магнита, мы увидели, что оно всегда препятствует движению магнита.

Такие же выводы сделал Эмилий Христианович Ленц в 1834 году. Он обобщил найденные закономерности и сформулировал правило — правило Ленца.

Правило Ленца:
электромагнитная индукция создает в контуре индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот ток.

{"questions":[{"content":"По правилу Ленца индукционный ток имеет в проводнике такое направление, при котором магнитное поле, создаваемое этим током, [[fill_choice_big-126]] изменению магнитного потока, которое породило индукционный ток.","widgets":{"fill_choice_big-126":{"type":"fill_choice_big","options":["препятствует","способствует","не препятствует и не способствует"],"answer":0}}}]}

Применение правила Ленца

С помощью правила Ленца мы можем определить направление индукционного тока (рисунок 21). Для этого нам понадобится:

1. Установить направление вектора магнитной индукции $\vec B_м$ поля, вызывающего индукционный ток.
2. Найти направление вектора магнитной индукции $\vec B_к$ поля, порожденного индукционным током:
   -при отталкивании (увеличении магнитного потока) — $\vec B_к \uparrow \downarrow \vec B_м$, -при притяжении (уменьшении магнитного потока) — $\vec B_к \uparrow \uparrow \vec B_м$.
3. Зная направление вектора $\vec B_к$, по правилу правой руки определить направление индукционного тока.

Упражнения

Упражнение № 1

Как вы думаете, почему прибор, изображенный на рисунке 22, изготовлен из алюминия? Как проходил бы опыт, если бы прибор был железным; медным?

Посмотреть ответ

Скрыть

Посмотреть ответ

Скрыть

Упражнение № 3

К неподвижному железному кольцу приближают магнит так, как показано на рисунке 23. Найдите направление индукционного тока в кольце.

Посмотреть ответ

Скрыть

Ответ:
Так как кольцо сделано из железа, в любом случае оно будет притягиваться к магниту. Это значит, что по правилу Ленца векторы $\vec B_м$ и $\vec B_к$ будут сонаправлены друг другу. Они будут направлены вниз.

Зная направление вектора $\vec B_к$, по правилу правой руки определяем направление тока. Отставленный большой палец направляем вниз, четыре согнутых пальца показывают направление тока в кольце — против часовой стрелки (рисунок 24).

Часто задаваемые вопросы