Směr indukovaného proudu. Lenzovo pravidlo – znalostní hypermarket

Připojením cívky, ve které vzniká indukční proud, ke galvanometru lze zjistit, že směr tohoto proudu závisí na tom, zda se magnet k cívce přibližuje (například severním pólem) nebo se od ní vzdaluje (viz obr. 2.2, b).

Vznikající indukční proud ten či onen směr nějak interaguje s magnetem (přitahuje nebo odpuzuje). Cívka, kterou prochází proud, je jako magnet se dvěma póly – severním a jižním. Směr indukčního proudu určuje, který konec cívky funguje jako severní pól (vycházejí z něj magnetické indukční čáry). Na základě zákona zachování energie lze předvídat, v jakých případech cívka magnet přitáhne a v jakých jej bude odpuzovat.

Interakce indukčního proudu s magnetem. Pokud se magnet přiblíží k cívce, objeví se v něm indukční proud v takovém směru, že se magnet nutně odpuzuje. Aby se magnet a cívka přiblížily k sobě, je třeba udělat pozitivní práci. Cívka se stává jako magnet s pólem obráceným k magnetu, který se k ní blíží. Stejné póly se navzájem odpuzují.

Při vyjmutí magnetu naopak vzniká v cívce proud takového směru, že se objeví přitažlivá síla, která magnet přitahuje.

Jaký je rozdíl mezi těmito dvěma experimenty: přiblížení magnetu k cívce a jeho oddálení? V prvním případě se počet magnetických indukčních čar pronikajícími závity cívky, neboli magnetický tok, zvyšuje (obr. 2.5, a), a ve druhém případě se snižuje (obr. 2.5, b). Navíc v prvním případě indukční čáry magnetického pole vytvořené indukčním proudem vznikajícím v cívce vystupují z horního konce cívky, protože cívka magnet odpuzuje, a ve druhém případě naopak na tento konec vstupují. Tyto čáry magnetické indukce jsou na obrázku 2.5 znázorněny černě. V případě a je cívka s proudem analogická magnetu, jehož severní pól je nahoře a v případě b dole.

Podobné závěry lze vyvodit pomocí experimentu znázorněného na obrázku 2.6. Na koncích tyče, která se může volně otáčet kolem svislé osy, jsou upevněny dva vodivé hliníkové kroužky. Jeden z nich má štěrbinu. Pokud ke kroužku přivedete magnet bez zářezu, vznikne v něm indukční proud a ten bude nasměrován tak, že se kroužek bude od magnetu odpuzovat a tyč se bude otáčet. Pokud magnet od prstenu oddálíte, prsten se naopak k magnetu přitáhne. Magnet neinteraguje s řezaným kroužkem, protože řez zabraňuje vzniku indukčního proudu v kroužku. Zda cívka magnet odpuzuje nebo přitahuje, závisí na směru indukčního proudu v ní. Zákon zachování energie nám proto umožňuje formulovat pravidlo, které určuje směr indukčního proudu.

Lenzovo pravidlo. Nyní se dostáváme k hlavnímu bodu: když se magnetický tok závity cívky zvětšuje, má indukční proud takový směr, že magnetické pole, které vytváří, brání nárůstu magnetického toku závity cívky. Vždyť indukční čáry tohoto pole směřují proti indukčním čarám pole, jehož změnou vzniká elektrický proud. Pokud magnetický tok cívkou slábne, pak indukce
Proud vytváří magnetické pole s indukcí, čímž se zvyšuje magnetický tok závity cívky.

To je podstata obecného pravidla pro určení směru indukovaného proudu, které je použitelné ve všech případech. Toto pravidlo zavedl ruský fyzik E. H. Lenz.

Podle Lenzova pravidla indukční proud vznikající v uzavřeném obvodu svým magnetickým polem působí proti změně magnetického toku, která jej způsobuje. Stručně řečeno, toto pravidlo lze formulovat následovně: indukovaný proud je směrován tak, aby interferoval s příčinou, která jej způsobuje.

Chcete-li použít Lenzovo pravidlo k nalezení směru indukovaného proudu v obvodu, musíte provést následující:

1. Určete směr magnetických indukčních čar vnějšího magnetického pole.
2. Zjistěte, zda tok vektoru magnetické indukce tohoto pole povrchem ohraničeným obrysem roste (Ф > 0) nebo klesá (Ф < 0).
3. Určete směr magnetických indukčních čar magnetického pole indukčního proudu. Podle Lenzova pravidla musí tyto čáry směřovat opačně k magnetickým indukčním čarám, když Ф > 0, a mít stejný směr, když Ф < 0.
4. Znáte-li směr magnetických indukčních čar, najděte směr indukčního proudu pomocí gimletova pravidla.

Směr indukovaného proudu se určuje pomocí zákona zachování energie. Indukční proud je ve všech případech směrován tak, aby jeho magnetické pole bránilo změně magnetického toku, která to způsobuje indukční proud.

1. Jak se určuje směr indukovaného proudu?
2. Vznikne v prstenci se štěrbinou elektrické pole, když se k němu přiblíží magnet?

Myakishev G. Ya., Fyzika. 11. třída: učebnice. pro všeobecné vzdělání instituce: základní a profilové. úrovně / G. Ja. Mjakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; upravil V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. — 17. vyd., přepracované. a doplňkové – M.: Vzdělávání, 2008. – 399 s.: nemoc.

_{Učebnice a knihy o všech předmětech, domácí úkoly, online knihovny knih, plány hodin fyziky, abstrakty a plány hodin fyziky pro 11. ročník ke stažení}

Obsah lekce shrnutí lekce podpůrná rámcová lekce prezentace akcelerační metody interaktivní technologie Praxe úkoly a cvičení autotest workshopy, školení, případy, questy domácí úkoly diskuze otázky řečnické otázky studentů Ilustrace audio, videoklipy a multimédia fotografie, obrázky, grafika, tabulky, diagramy, humor, anekdoty, vtipy, komiksy, podobenství, rčení, křížovky, citáty Přírůstky abstrakty články triky pro zvídavé jesličky učebnice základní a doplňkový slovník pojmů ostatní Zkvalitnění učebnic a lekcí opravovat chyby v učebnici aktualizace fragmentu v učebnici, prvky inovace v lekci, nahrazení zastaralých znalostí novými Pouze pro učitele perfektní lekce kalendářní plán na rok, metodická doporučení, diskusní pořady Integrované lekce 

Pokud máte opravy nebo návrhy k této lekci, napište nám.

Pokud chcete vidět další úpravy a návrhy lekcí, podívejte se sem – Vzdělávací fórum.

Připomeňme si několik jednoduchých pokusů, při kterých je pozorován vznik elektrického proudu v důsledku elektromagnetické indukce.

Jeden z těchto experimentů je znázorněn na Obr. 253. Je-li cívka skládající se z velkého počtu závitů drátu rychle nasazena na magnet nebo z něj stažena (obr. 253, a), vzniká v ní krátkodobý indukční proud, který lze zjistit házením jehly galvanometru připojené ke koncům cívky. Totéž se stane, pokud je magnet rychle zatlačen do cívky nebo z ní vytažen (obr. 253, b). Je zřejmé, že záleží pouze na relativním pohybu cívky a magnetického pole. Proud se zastaví, když se tento pohyb zastaví.

Rýže. 253. Vzájemným pohybem cívky a magnetu vzniká v cívce indukovaný proud: a) cívka se nasadí na magnet; b) magnet se přesune do cívky

Podívejme se nyní na několik dalších experimentů, které nám umožní formulovat v obecnější podobě podmínky pro výskyt indukčního proudu.

První série experimentů: změna magnetické indukce pole, ve kterém se nachází indukční obvod (cívka nebo rám).

Cívka je umístěna v magnetickém poli, například uvnitř solenoidu (obr. 254, a) nebo mezi póly elektromagnetu (obr. 254, b). Nainstalujme cívku tak, aby rovina jejích závitů byla kolmá na siločáry magnetického pole elektromagnetu nebo elektromagnetu. Magnetickou indukci pole změníme rychlou změnou síly proudu ve vinutí (pomocí reostatu) nebo pouhým vypnutím a zapnutím proudu (klíčkem). Při každé změně magnetického pole dává jehla galvanometru ostrý odraz; to indikuje výskyt indukčního elektrického proudu v obvodu cívky. Když magnetické pole zesílí (nebo se objeví), objeví se proud v jednom směru a když zeslábne (nebo zmizí), objeví se proud v opačném směru. Proveďme nyní stejný experiment a nainstalujme cívku tak, aby rovina jejích závitů byla rovnoběžná se směrem magnetických siločar (obr. 255). Experiment poskytne negativní výsledek: bez ohledu na to, jak změníme magnetickou indukci pole, nezjistíme indukční proud v obvodu cívky.

Rýže. 254. Indukovaný proud vzniká v cívce při změně magnetické indukce, je-li rovina jejích závitů kolmá k siločarám magnetického pole: a) cívka v poli elektromagnetu; b) cívka v poli elektromagnetu. Magnetická indukce se mění při sepnutí a otevření spínače nebo při změně proudu v obvodu

Rýže. 255. Indukční proud nevznikne, pokud je rovina závitů cívky rovnoběžná s magnetickými siločárami

Druhá série experimentů: změna polohy cívky umístěné v konstantním magnetickém poli.

Umístíme cívku dovnitř solenoidu, kde je magnetické pole rovnoměrné, a rychle ji otočíme o určitý úhel kolem osy kolmé na směr pole (obr. 256). Při každé takové rotaci detekuje galvanometr připojený k cívce indukovaný proud, jehož směr závisí na výchozí poloze cívky a na směru otáčení. Když se cívka úplně otočí o 360°, změní se směr indukčního proudu dvakrát: pokaždé, když cívka projde polohou, ve které je její rovina kolmá ke směru magnetického pole. Samozřejmě, pokud budete cívkou otáčet velmi rychle, bude indukovaný proud měnit svůj směr tak často, že jehla běžného galvanometru nestihne tyto změny sledovat a bude potřeba jiné, „poslušnější“ zařízení.

Rýže. 256. Když se cívka otáčí v magnetickém poli, vzniká v ní indukovaný proud

Pokud se však cívka posune tak, že se neotáčí vzhledem ke směru pole, ale pouze se pohybuje rovnoběžně se sebou v libovolném směru podél pole, napříč ním nebo v jakémkoli úhlu ke směru pole, pak nevznikne žádný indukovaný proud. Zdůrazněme ještě jednou: experiment pohybu cívky se provádí v rovnoměrném poli (například uvnitř dlouhého solenoidu nebo v magnetickém poli Země). Pokud je pole nerovnoměrné (například v blízkosti pólu magnetu nebo elektromagnetu), může být jakýkoli pohyb cívky doprovázen výskytem indukčního proudu, s výjimkou jednoho případu: indukční proud není vznikají, pokud se cívka pohybuje tak, že její rovina zůstává po celou dobu rovnoběžná se směrem pole (tj. cívkou neprocházejí žádné siločáry magnetického pole).

Třetí série experimentů: změna oblasti obvodu umístěného v konstantním magnetickém poli.

Podobný experiment lze provést podle následujícího schématu (obr. 257). V magnetickém poli např. mezi póly velkého elektromagnetu umístíme obvod z ohebného drátu. Nechť má obrys zpočátku tvar kruhu (obr. 257, a). Rychlým pohybem ruky můžete konturu utáhnout do úzké smyčky, čímž výrazně zmenšíte plochu, kterou pokrývá (obr. 257, b). Galvanometr ukáže výskyt indukčního proudu.

Rýže. 257. Indukovaný proud se v cívce objeví, pokud se oblast jejího obvodu, umístěná v konstantním magnetickém poli a umístěná kolmo k siločarám magnetického pole, změní (magnetické pole směřuje od pozorovatele)

Ještě výhodnější je provést experiment se změnou oblasti obrysu podle schématu znázorněného na obr. 258. V magnetickém poli je obvod, jehož jedna strana (na obr. 258) je pohyblivá. Při každém pohybu galvanometr detekuje výskyt indukčního proudu v obvodu. Navíc při pohybu doleva (zvětšující se oblast) má indukční proud jeden směr a při pohybu doprava (zmenšující se oblast) – opačný směr. I v tomto případě však změna plochy obvodu nevytváří žádný indukovaný proud, pokud je rovina obvodu rovnoběžná se směrem magnetického pole.

Rýže. 258. Když se tyč pohybuje a v důsledku toho se mění oblast obvodu umístěného v magnetickém poli, vzniká v obvodu proud.

Porovnáním všech popsaných experimentů můžeme formulovat podmínky pro vznik indukovaného proudu v obecné podobě. Ve všech uvažovaných případech jsme měli obvod umístěný v magnetickém poli a rovina obvodu mohla svírat ten či onen úhel se směrem magnetické indukce. Označme oblast ohraničenou obrysem , magnetickou indukci pole , a úhel mezi směrem magnetické indukce a rovinou obrysu . V tomto případě bude složka magnetické indukce kolmá k rovině obvodu stejně velká (obr. 259)

Rýže. 259. Rozklad magnetické indukce na složku kolmou k rovině indukční smyčky a složku rovnoběžnou s touto rovinou

Součin budeme nazývat tokem magnetické indukce, nebo zkráceně magnetickým tokem obvodem; Toto množství budeme označovat písmenem . Tedy,

Ve všech uvažovaných případech jsme bez výjimky změnili magnetický tok tak či onak. V některých případech jsme to udělali změnou magnetické indukce (obr. 254); v ostatních případech se úhel změnil (obr. 256); za třetí oblast (obr. 257). V obecném případě je samozřejmě možné současně měnit všechny tyto veličiny, které určují magnetický tok obvodem. Pečlivé zkoumání široké škály indukčních experimentů ukazuje, že k indukovanému proudu dochází tehdy a pouze tehdy, když se změní magnetický tok; indukovaný proud nikdy nevznikne, pokud magnetický tok daným obvodem zůstane nezměněn. Tak:

Kdykoli dojde ke změně magnetického toku vodivým obvodem, vzniká v tomto obvodu elektrický proud.

Toto je jeden z nejdůležitějších přírodních zákonů – zákon elektromagnetické indukce, který objevil Faraday v roce 1831.

138.1. Cívky I a II jsou umístěny jedna v druhé (obr. 260). První obvod obsahuje baterii, druhý obvod obsahuje galvanometr. Pokud je železná tyč zatlačena do nebo z první cívky, galvanometr zjistí výskyt indukčního proudu v druhé cívce. Vysvětlete tuto zkušenost.

Rýže. 260. Pro cvičení 138.1

138.2. Drátěný rám se otáčí v rovnoměrném magnetickém poli kolem osy rovnoběžné s magnetickou indukcí. Objeví se v něm indukovaný proud?

138.3. Má e. d.s. indukce na koncích ocelové nápravy automobilu, když se pohybuje? Jakým směrem se auto pohybuje? d.s. největší a v jakém bodě je nejmenší? Záleží na tom? d.s. indukce z rychlosti auta?

138.4. Podvozek vozu spolu se svými dvěma nápravami tvoří uzavřený vodivý okruh. Indukuje se v něm proud, když se auto pohybuje? Jak lze uvést odpověď na tento problém do souladu s výsledky úlohy 138.3?

138.5. Proč někdy údery blesku poškodily citlivé elektrické měřicí přístroje několik metrů od místa dopadu a roztavily pojistky v osvětlovací síti?