Полезные статьи

Правило ленца закон энергии

Успейте воспользоваться скидками до 50% на курсы «Инфоурок»

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.

Проверка домашнего задания.

Изложение нового материала.

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.

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

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: [ L ] = 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 .

Закрепление (слайд 17) — вопросы 1 — 8 на стр. 113 учебника.

infourok.ru

§ 5.2. Правило Ленца

Выясним важный вопрос о направлении индукционного тока.

Направление индукционного тока и сохранение энергии

Индукционный ток, возникший в проводнике, немедленно начинает взаимодействовать с породившим его током или магнитом. Если магнит (или катушку с током) приближать к замкнутому проводнику, то появляющийся индукционный ток своим магнитным полем обязательно отталкивает магнит (катушку). Для сближения магнита и катушки нужно совершить работу. При удалении магнита возникает притяжение. Это правило выполняется неукоснительно. Представьте себе, что дело обстояло бы иначе: вы подтолкнули магнит к катушке, и он сам собой устремился бы внутрь нее. При этом нарушился бы закон сохранения энергии. Ведь механическая энергия магнита увеличилась бы и одновременно возникал бы ток, что само по себе требует затраты энергии, ибо ток тоже может совершать работу. Природа мудро распорядилась направлением индукционного тока, с тем чтобы запасы энергии не изменялись. Индуцированный в якоре генератора электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, тормозит вращение якоря. Только поэтому для вращения якоря нужно совершать работу, тем большую, чем больше сила тока. За счет этой работы и возникает индукционный ток.

Интересно отметить, что если бы магнитное поле нашей планеты было очень большим и сильно неоднородным, то быстрые движения проводящих тел на ее поверхности и в атмосфере были бы невозможны из-за интенсивного взаимодействия индуцированного в теле тока с этим полем. Тела двигались бы как в плотной вязкой среде и при этом сильно разогревались бы. Ни самолеты, ни ракеты не могли бы летать. Человек не мог бы быстро двигать ни руками, ни ногами, так как человеческое тело — неплохой проводник.

Если катушка, в которой наводится ток, неподвижна относительно соседней катушки с переменным током, как, например, у трансформатора, то и в этом случае направление индукционного тока диктуется законом сохранения энергии. Этот ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле стремится уменьшить изменения тока в первичной обмотке.

Отталкивание или притяжение магнита катушкой зависит от направления индукционного тока в ней. Поэтому закон сохранения энергии позволяет сформулировать правило, определяющее направление индукционного тока.

В чем состоит различие двух опытов: приближение магнита к катушке и его удаление? В первом случае магнитный поток (или число линий магнитной индукции, пронизывающих витки катушки) увеличивается (рис. 5.5, а), а во втором случае — уменьшается (рис. 5.5, б). Причем в первом случае линии индукции В’ магнитного поля, созданного возникшим в катушке индукционным током, выходят из верхнего конца катушки, так как катушка отталкивает магнит, а во втором случае, наоборот, входят в этот конец. Эти линии магнитной индукции на рисунке 5.5 изображены штрихом.

Теперь мы подошли к главному: при увеличении магнитного потока через витки катушки индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует нарастанию магнитного потока через витки катушки. Ведь вектор индукции ‘ этого поля направлен против вектора индукции поля, изменение которого порождает электрический ток. Если же магнитный поток через катушку ослабевает, то индукционный ток создает магнитное поле с индукцией ‘, увеличивающее магнитный поток через витки катушки.

В этом состоит сущность общего правила определения направления индукционного тока, которое применимо во всех случаях. Это правило было установлено русским физиком Э. X. Ленцем (1804—1865).

Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое порождает данный ток.

В случае сверхпроводников компенсация изменения внешнего магнитного потока будет полной. Поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную сверхпроводящим контуром, вообще не меняется со временем ни при каких условиях. Подробнее об этом пойдет речь в дальнейшем.

Направление индукционного тока определяется законом сохранения энергии. Индукционный ток во всех случаях своим магнитным полем препятствует изменению магнитного потока, вызывающему данный ток.

vip8082p.vip8081p.beget.tech

Правило Ленца

Э.Х.Ленц предложил правило (закон), который позволяет найти направление индукционного тока. В его формулировке он таков: «Если металлический проводник передвигается вблизи гальванического тока или вблизи магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, которое вызвало 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 в прямо противоположном».

В настоящее время правило Ленца формулируют короче: «Направление индукционного тока таково, что его действие противоположно действию причины его вызывающей». Или: Токи индукции, которых появляются в проводнике в результате их движения в постоянном магнитном поле имеют такое направление, при котором пондемоторные силы магнитного поля, которые испытывают эти проводники, препятствуют движению проводников.

Это правило соблюдается во всех случаях возникновения индукции.

Допустим, что индукция возникает в контуре (2) при его перемещении в магнитном поле контура с током (1) (рис.1). При этом появляется индукционный ток, имеющий такое направление, что сила взаимодействия с контуром (1) противодействует движению контура. Если контур (2) приближать к контуру (1), появляется ток $I_2’$, при этом магнитный момент этого тока направлен против поля тока $I_1$. На контур (2) действует сила, которая отталкивает его от контура (1). Если контур (2) удалять от контура (1) в контуре (2) возникнет ток $I^<''>_2,$ направление его момента совпадет с полем тока $I_1$, следовательно, сила, которая действует на контур (2) притягивает его к контуру (1).

Допустим, что оба контура неподвижны, в контуре (1) течет переменный ток $I_1$, изменения которого вызывает появление тока $I_2$. Направление тока во втором конуре таково, что создаваемый этим током магнитный поток $(Ф)$ стремится ослабить изменения внешнего потока, который ведет к возникновению индукционного тока. При увеличении тока $I_1$ увеличивается внешний магнитный поток, который направлен вправо, появляется ток $I_2’$, который создает поток, направленный влево (рис.1).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В случае если ток $I_1$ уменьшается, в контуре (2) появляется ток $I^<''>_2,$ магнитный поток которого направлен так же, как внешний поток, дополнительный магнитный поток поддерживает внешний поток без изменений.

Правило Ленца и закон сохранения энергии

Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии. Индукционные токи, как и любые другие, производят работу. Например, если замкнутый проводник движется в магнитном поле, внешними силами должна быть выполнена дополнительная работа, так как индукционные токи взаимодействуют с магнитным полем, порождая силы, которые направлены противоположно движению.

Задание: Укажите направление индукционного тока, который возникает в контуре а) если магнит приближать к контуру; b) при удалении магнита от контура (рис.2). Объясните, как взаимодействуют магнит и виток с током в случаях a) и b).

Решение:

Когда мы приближаем к контуру северный полюс магнита $(N)$, то на контуре возникает тоже северный магнитный полюс. Когда мы удаляем от контура северный полюс магнита, то на контуре возникает южный полюс. При этом одноименные полюса магнита отталкиваются, а разноименные притягиваются. Значит, когда возникает индукционный ток в контуре при приближении магнита к контуру, то силы взаимодействия между магнитом и индукционным током отталкивают магнит от витка, а в случае возникновения тока в контуре при удалении магнита, то виток с индукционным током и магнит притягиваются.

В соответствии с правилом Ленца, направления токов будут иметь направления, указанные на рис.3.

Задание: Прямолинейный проводник длины $l$ движется параллельно самому себе в магнитном поле. Этот проводник может входить в состав замкнутой цепи, остальные части которой неподвижны. Найдите ЭДС, которая возникает в проводнике, укажите направление индукционного тока.

Решение:

Обозначим через $v$ мгновенную скорость движения проводника, $dt$ — время движения проводника, тогда проводник опишет площадь равную:

За время $dt$ проводник пересечет все линии магнитной индукции, которые проходят через площадь $dS$. Изменение магнитного потока, следовательно, можно записать как:

где $B_n$ — составляющая магнитной индукции, которая перпендикулярна к площадке $dS$. Используя закон Фарадея, получим:

Направление индукционного тока и знак ЭДС определяется правилом Ленца. Ток направлен так, что механическая сила, действующая на проводник, противоположна скорости.

Лень читать?

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

spravochnick.ru

Правило ленца закон энергии

§ 96. Правило Ленца

В § 93 было показано, что направление индукционного тока определяется правилом правой руки. Это правило не является универсальным, им нельзя определить направление индукционного тока в случае, когда он получается в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле (см. рис. 139). Русский ученый Э. X. Ленц установил (в 1823 г.) общее правило для определения направления индукционного тока.

На острие подставки (рис. 143, а) находятся уравновешенные алюминиевые кольца (кольцо А замкнутое, В — имеет разрез). При приближении магнита к замкнутому кольцу магнитный поток, проходящий через него, увеличивается. Вследствие этого в кольце возникает индукционный ток, который имеет собственное магнитное поле. Замечаем, что кольцо удаляется от магнита. Это означает, что на стороне кольца, обращенной к магниту, возник полюс, одноименный с полюсом магнита. Из рисунка видно, что выходящие из кольца линии индукции магнитного поля тока в кольце направлены против линий индукции магнитного поля магнита. В рассматриваемом опыте магнитный поток Ф1 магнитного поля индукционного тока уменьшил увеличивающийся магнитный поток Ф2, который вызвал индукционный ток в кольце.


Рис. 143. К правилу Ленца

При удалении магнита из кольца оно движется за магнитом. Это означает, что на стороне кольца, обращенной к магниту, возникает полюс, разноименный с полюсом магнита (рис. 143, б). Выходящие из кольца линии индукции магнитного поля тока в кольце направлены так же, как и линии индукции магнитного поля магнита. Поэтому магнитный поток Ф1 магнитного поля индукционного тока увеличил уменьшающийся магнитный поток Ф2 магнита, который вызвал индукционный ток в кольце.

На основе подобных опытов и рассуждений Ленц установил: индукционный ток возникает такого направления, что его магнитное поле препятствует изменению того магнитного потока, который вызвал этот ток. Правило Ленца является следствием закона сохранения и превращения энергии. Когда мы приближаем, например, к катушке (кольцу) магнит, то возникающий ток своим магнитным полем отталкивает магнит. Двигая его, мы преодолеваем эти силы отталкивания, т. е. совершаем работу, в результате чего механическая энергия превращается в энергию индукционного тока, При выдвигании магнита из катушки совершается работа по преодолению силы притяжения катушки. Механическая энергия в этом случае превращается в энергию индукционного тока.

Установив по правилу Ленца полюсы кольца, определим направление тока: если к наблюдателю обращен северный полюс, то для него ток в кольце имеет направление против часовой стрелки, а если южный полюс — то по часовой стрелке.


Рис. 144. Торможение якоря генератора тока при включении лампочек

Правило Ленца можно проиллюстрировать также таким опытом. Падающий груз А приводит в действие генератор тока (рис. 144). Якорь генератора увеличивает скорость вращения. Замыкаем ключом цепь лампочек. Они загораются, а падение груза резко замедляется и продолжается с небольшой скоростью. При размыкании цепи скорость падения груза опять увеличивается и вновь уменьшается при замыкании цепи. Падающий груз увеличивает скорость вращения якоря, вследствие чего увеличивается проходящий через его обмотку магнитный поток. Это вызывает возникновение э. д. с. индукции. При замыкании цепи э. д. с. вызывает индукционный ток, индукция магнитного поля которого направлена против индукции магнитного поля магнатов, вследствие чего и происходит торможение вращения якоря.


Рис. 145. Определение знака э. д. с. индукции при помощи правила Ленца

Пользуясь правилом Ленца, покажем, как можно определить знаки полюсов источника э. д. с. индукции в случае, когда цепь разомкнута. Будем в разрезанное кольцо вдвигать магнит южным полюсом (рис. 145). На концах кольца знаки полюсов наведенной э. д. с. индукции должны быть так расположены, чтобы при замыкании цепи (показано пунктиром) ток шел по часовой стрелке и образовывал южный полюс на стороне кольца, обращенной к магниту.

physiclib.ru

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Вопросы к экзамену

Для групп АМ-11, СЗ-11, А-11 специальности:

190631 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

Список лекций по физике за 1,2 семестр

ЖЕЛАЮ УДАЧИ!

Тестирование

Правило Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

Закон Фарадея: ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограни­ченную контуром.

Знак минус в формуле отражает правило Ленца.

В 1833 году Ленц опытным путем доказал утверждение, которое называется правилом Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

При возрастании магнитного потока Ф>0, а εинд 0, т.е. магнитное поле индукционного тока увеличивает убывающий магнитный поток через контур.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

ЭДС индукции зависит от разных причин. Если вдвигать в катушку один раз сильный магнит, а в другой — слабый, то показания прибора в первом случае будут более высокими. Они будут более высокими и в том случае, когда магнит движется быстро. В каждом из проведённых в этой работе опыте направление индукционного тока определяется правилом Ленца. Порядок определения направления индукционного тока показан на рисунке.

На рисунке синим цветом обозначены силовые линии магнитного поля постоянного магнита и линии магнитного поля индукционного тока. Силовые линии магнитного поля всегда направлены от N к S – от северного полюса к южному полюсу магнита.

По правилу Ленца индукционный электрический ток в проводнике, возникающий при изменении магнитного потока, направлен таким образом, что его магнитное поле противодействует изменению магнитного потока. Поэтому в катушке направление силовых линий магнитного поля противоположно силовым линиям постоянного магнита, ведь магнит движется в сторону катушки. Направление тока находим по правилу буравчика: если буравчик (с правой нарезкой) ввинчивать так, чтобы его поступательное движение совпало с направлением линий индукции в катушке, тогда направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением индукционного тока.

Поэтому ток через миллиамперметр течёт слева направо, как показано на рисунке красной стрелкой. В случае, когда магнит отодвигается от катушки, силовые линии магнитного поля индукционного тока будут совпадать по направлению с силовыми линиями постоянного магнита, и ток будет течь справа налево.

infofiz.ru