Закон Ленца

Э.Х. Ленцем установлен закон, позволяющий определить направление тока индукции. Получив информацию об открытии М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, Ленц провел ряд экспериментов для того, чтобы получить количественные законы индукции. Он полагал, что «сила мгновенного тока» работает как удар. И сила данного удара измеряется по скорости, которая сообщается стрелке индикатора электрического тока. Ленц сделал вывод о том, что появление тока индукции зависит от скорости «отрыва» катушки от магнита, ЭДС, которая возбуждается в катушке, пропорциональна количеству витков и равна результирующей ЭДС, которые возбуждаются в каждом витке, при этом на нее не влияют материал и диаметр обмотки якоря. Но самым важным открытием, которое сделал Ленц, стал закон (часто его называют правилом) о направлении тока индукции. До него, сам Фарадей и ряд других ученых, предлагали весьма сложные правила, которые давали возможность определить направление индукционного тока для частных случаев.

Формулировка закона Ленца

Индукционный ток всегда направлен так, что его действие противоположно действию причины, вызвавшей этот ток.

Закон Ленца применим, когда проводники движутся, а магнитное поле постоянно и в случае, когда проводники неподвижны, а переменным является магнитное поле (сила тока). Индукционные токи всегда вызывают поле, которое стремится противодействовать изменениям внешнего поля, вызвавшим эти токи.

Закон Ленца является следствием закона сохранения энергии. Так, токи индукции, как и любые другие токи, совершают определенную работу. Это означает, что при движении замкнутого проводника в магнитном поле должна произвестись дополнительная работа внешних сил. Эта работа появляется, так как токи индукции взаимодействуют с магнитным полем, вызывают силы, которые направлены в сторону, противоположную движению (то есть движению препятствуют).

Если записать закон электромагнитной индукции в формулировке Максвелла:

где — ЭДС индукции, Ф —магнитный поток. Знак минус в формуле (1) соответствует закону Ленца.

Допустим, что положительное направление нормали совпадает с направлением магнитной индукции. В таком случае поток через контур является положительным. Если магнитное поле, в рассматриваемом случае, будет увеличиваться (то есть ), то в соответствии (1), а это значит, что сила тока . Получается, что направление тока индукции является противоположным к избранному нами положительному направлению.

Следствием закона Ленца считают принцип обратимости электрических машин:

Электрическая машина обратима, то есть она может работать и как генератор, и как двигатель.

План использования правила Ленца

Правило Ленца, например, можно применять, используя следующую последовательность действий (удобно для замкнутого контура):

1. Определить (рассмотреть) как направлен вектор внешнего магнитного поля.
2. Определить уменьшается или увеличивается магнитный поток сквозь контур.
3. Указать направление вектора магнитной индукции поля тока индукции. В том случае, если магнитный поток внешнего поля уменьшается, то вектор магнитной индукции поля индукционного тока является сонаправленным с внешним полем.
4. Применяя правило буравчика (для кругового тока) или правила правой руки для прямого тока определить направление тока индукции.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Прямолинейный проводник перемещается параллельно самому себе в постоянном магнитном поле (рис.1). Как будет направлен индукционный ток?
Решение	Будем считать, что плоскость, в которой движется проводник, перпендикулярна плоскости рисунка, линии магнитного поля лежат в плоскости рисунка (рис.1). Направление тока индукции и знак ЭДС определяются при помощи закона Ленца: ток направлен так, что механическая сила, которая действует на перемещающийся проводник, противоположна скорости движения, то есть она тормозит проводник. Сила, которая действует на проводник с током — это сила Ампера. Ее направление определяют при помощи правила левой руки: Линии магнитного поля должны входить в ладонь, четыре пальца направлены по току, отогнутый на 900 большой палец указывает на направление действия силы. Для того чтобы сила Ампера была направлена против скорости, ток в проводнике должен течь на нас.
Ответ	Индукционный ток направлен на нас.

ПРИМЕР 2

Задание	Виток проводника расположен неподвижно в магнитном поле движущегося постоянного магнита. Как будет направлен ток индукции, если магнит движется в направлении витка?
Решение:	Сделаем рисунок. Направление внешнего магнитного поля указано на рис.2. Если магнит приближается к катушке, то возникающее магнитное () будет направлено против внешнего поля (). Направление индукционного тока определим при помощи правила буравчика. Индукционный ток (), будет направлен по часовой стрелке (рис.2).
Ответ	Индукционный ток направлен по часовой стрелке.