Правило Ленца простыми словами: формулировка, формулы, примеры применения

В этой статье мы рассмотрим, что такое правило Ленца и какого его практическое применение. Это правило позволяет быстро определить направление индукционного тока. На самом деле, правило Ленца тесно связано с принципом сохранения энергии – об этом также читайте в этой статье.

Электрический генератор начала 20-го века
Рис. 1. Электрический генератор начала 20-го века. Его принцип работы соответствует правилу Ленца. (Автор: Сергей Прокудин-Горский  [Public domain], via Wikimedia Commons)

Формулировка

Правило Ленца обычно формулируется следующим образом:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Википедия

Давайте расшифруем это предложение.

Давайте расшифруем это предложение. Давайте начнем с причины. Причиной протекания индукционного тока является изменяющийся поток магнитной индукции B через поверхность, охватываемую контуром, в котором должен протекать электрический ток.

Противодействие причине здесь заключается в том, что когда поток увеличивается, магнитное поле Bind, создаваемое индукционным током, направлено так, чтобы уменьшить поток. И наоборот, когда поток уменьшается, индуцированное магнитное поле направлено так, чтобы усилить поток. В общем, если поле B перпендикулярно плоской поверхности, охватывающей замкнутый проводник, то

Когда ФB уменьшается, то Вind параллельно В.
Когда ФB увеличивается, то Bind антипараллельно B.

В более общем случае необходимо задать условие для углов между этими векторами.

Как только мы установили, как направлен вектор магнитной индукции Bind (внутри контура), мы должны связать индукционный ток с этим вектором и определить его направление.

Пример правила Ленца в действии

Теперь мы покажем правило Ленца в действии; вот конкретный пример.

В магнитном поле, создаваемом прямолинейным проводником с током, имеется круговой контур (кольцо), лежащий в одной плоскости с проводником (рис. 2а.). Ток в прямолинейном проводнике течет вверх. В каком направлении будет течь электрический ток в кольце, если мы прижмем его к проводнику?

Круговой контур и проводник с током
Рис. 2а. Круговой контур и проводник с током

Ток в прямолинейном проводнике создает вокруг себя магнитное поле. Для определения направления вектора магнитной индукции в кольце мы используем хорошо известный метод правой руки. Мы располагаем большой палец так, как направлен электрический ток, а пальцы покажут нам магнитное поле, “оборачивающееся” вокруг этого электрического тока. Справа от проводника, где находится кольцо, линии поля идут “внутрь”, как показано на рис. 2б.

Определение направления вектора магнитной индукции в кольце
Рис. 2б. Определение направления вектора магнитной индукции в кольце

Сближение кольца вызывает увеличение потока магнитного поля, проникающего через кольцо (увеличивается значение магнитной индукции B). Согласно правилу Ленца, ток в кольце должен протекать таким образом, чтобы вектор магнитного поля Bind, создаваемого этим током, был направлен противоположно вектору, вызывающему явление индукции B. То есть, вектор Bind направлен “в нашу сторону”. (рис. 2в).

Вектор магнитного поля
Рис. 2в.

Снова применим правило правой руки. На этот раз мы укажем большим пальцем вектор индукции Bind, а остальные пальцы покажут нам направление индукционного тока. Он будет протекать против часовой стрелки.

Правило Ленца и закон сохранения энергии

То, что “скрывается” под правилом Ленца – это фундаментальный принцип сохранения энергии в физике. Вы узнаете об этом, прочитав данный подраздел.

Посмотрите на следующую экспериментальную установку (см. рисунок 3).

Правило Ленца
Рис. 3. Правило Ленца – Экспериментальная установка с лестничными качелями

Для эксперимента подвесьте качели проводника в магнитном поле подковообразного магнита. Подковообразный магнит располагается так, чтобы северный полюс находился внизу, а южный – вверху. Вы подключаете проводник к амперметру вне магнитного поля, поэтому во всей цепи нет источника.

В эксперименте мы теперь перемещаем качели проводника в направлении, перпендикулярном силовым линиям магнитного поля, в нашем случае “из подковообразного магнита”. Для перемещения качающегося проводника нужна сила F. Когда частицы движутся в магнитном поле, действует сила Лоренца, происходит разделение зарядов, а значит, и возникает индукционный ток. Это можно наблюдать по отклонению стрелки амперметра.

Для определения направления индукционного тока применяется правило левой руки. Большой палец указывает направление, в котором электроны перемещаются под действием силы F, т.е. “из подковы”. Ваш указательный палец указывает направление магнитного поля, от северного к южному полюсу. Наконец, средний палец указывает направление, в котором электроны притягиваются силой Лоренца. На конце проводника, в сторону которого указывает ваш средний палец, образуется избыток электронов и это приводит к изменению направления тока.

Однако, в силу правила Ленца, точно в тот же момент должна действовать противодействующая сила F, направленная в противоположную сторону от причины F. Эта противодействующая сила создается индукционным током, который, так сказать, пытается восстановить исходное состояние.

Вы можете еще раз проверить направление силы F с помощью правила левой руки. На этот раз большой палец указывает направление движения электронов. Итак, в проводнике, который перемещается под действием силы F внутри магнита , большой палец направлен в плоскость рисунка, а указательный палец снова направлен от северного полюса к южному. Затем средний палец указывает направление силы F’. Это направление согласуется с правилом Ленца и действует в направлении, противоположном направлению движения проводника. Чтобы проиллюстрировать это, мы провели эти рассуждения одно за другим. В реальном эксперименте, однако, все это происходит параллельно.

Можно также сравнить правило Ленца с поведением детей (аналог индукционного тока). Когда их родители (аналог причины) говорят им что-то, они сначала хотят сделать прямо противоположное. Если вы будете помнить об этой мнемонике, вы гарантированно не забудете правило Ленца.

Сохранение энергии для индукции также может быть соблюдено только с помощью правила Ленца.

Чтобы проверить это, вы можете провести следующий мысленный эксперимент. Если бы сила из F была направлена в противоположную сторону, то есть равна силе F, раскачивание качелей ускорялось бы все больше и больше. И это без добавления дополнительной энергии извне. Таким образом, можно было бы создать вечный двигатель, что противоречит закону сохранения энергии.

Применение

Правило Ленца необходимо для многих применений в технике. Например, в вихретоковом тормозе. Этот тормоз не изнашивается, поскольку отсутствует трение. Тормозная сила генерируется магнитными полями. Например, такие тормоза есть у поездов и грузовиков. Электродвигатели также работают по этому принципу.

Правило Ленца защитит вас, даже если в вашу машину ударит молния. Клетка Фарадея также основана на этом принципе.

Все металлодетекторы, которые вы знаете по аэропортам или магазинам, работают одинаково. Они генерируют магнитное поле с помощью катушки. Если в магнитном поле находится металлический предмет, в нем индуцируются вихревые токи. Согласно правилу Ленца, эти токи направлены таким образом, что противодействуют причине возникновения тока. Поэтому магнитное поле детектора становится слабее. Это также уменьшает ток в металлодетекторе, эта разница измеряется, что приводит, например, к сигналу тревоги.

Металлодетекторы также используются в некоторых светофорах, только здесь катушка расположена в асфальте под машинами. Таким образом, светофор, так сказать, замечает, что автомобиль ждет, и по возможности переключает его на зеленый. Как видите, правило Ленца важно для многих областей электротехники, а также в повседневной жизни.

Список использованной литературы

  1. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
  2. Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
  3. Сивухин Д. В. § 64. Электромагнитная индукция // Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 265. — 688 с.