Lenzove pravidlo pre elektromagnetické. Lenzove pravidlo
Lenzove pravidlo umožňuje určiť smer indukčného prúdu v obvode. Hovorí: "Smer indukčného prúdu je vždy taký, že jeho pôsobenie oslabuje účinok príčiny, ktorá tento indukčný prúd spôsobuje."
Napríklad, ak vezmete malý medený krúžok zavesený na niti a pokúsite sa doň zaviesť dostatočne silný severný pól, potom ako sa magnet priblíži k krúžku, krúžok sa začne od magnetu odpudzovať.
Vyzerá to tak, že sa krúžok začne správať ako magnet, otočený rovnakým (v tomto príklade severným) pólom k magnetu, ktorý je do neho vložený, a takto sa pokúša zoslabiť vložený magnet.
A ak sa magnet zastaví v krúžku a začne sa z krúžku vyťahovať, prsteň naopak bude nasledovať magnet, akoby sa prejavil ako ten istý magnet, ale teraz je otočený k opačnému pólu k magnetu. posunutím dopredu (zatlačíme na severný pól magnetu - južný pól, ktorý sa objaví na prstenci, sa pritiahne), pričom sa tentokrát snažíme zosilniť magnetické pole oslabené v dôsledku predĺženia magnetu.
Ak urobíte to isté s otvoreným krúžkom, potom krúžok nebude reagovať na magnet, hoci sa v ňom bude indukovať EMF, ale keďže krúžok nie je uzavretý, nebude tam žiadny indukčný prúd, čo znamená, že nebude treba určiť jeho smer.
Čo sa tu vlastne deje? Zatlačením magnetu do celého prstenca zväčšíme magnetický tok prenikajúci uzavretým okruhom, a preto (keďže EMF generované v prstenci je úmerné rýchlosti zmeny magnetického toku), vzniká EMF v prstenci.
A vytlačením magnetu z prstenca meníme aj magnetický tok prstencom, len ho teraz nezväčšíme, ale znížime a vznikajúce EMF bude opäť úmerné rýchlosti zmeny magnetického toku, ale nasmerovaný opačným smerom. Keďže obvod je uzavretý kruh, EMF samozrejme generuje uzavretý prúd v kruhu. A prúd vytvára okolo seba magnetické pole.
Smer indukčných čiar magnetického poľa generovaného v prúdovom prstenci môže byť určený gimletovým pravidlom a ukáže sa, že sú nasmerované presne tak, aby sa zabránilo správaniu indukčných čiar vloženého magnetu: linky externého zdroja vstupujú do ringu, z ringu, resp. odchádzajú, linky externého zdroja opúšťajú ring, do ringu, resp. - sú vysielané.
Lenzove pravidlo v transformátore
Teraz si pripomeňme, ako sa v súlade s Lenzovým pravidlom správa zaťažený. Predpokladajme, že v primárnom vinutí transformátora sa zvýši prúd, a preto sa magnetické pole v jadre zvýši. Magnetický tok prenikajúci do sekundárneho vinutia transformátora sa zvyšuje.
Keďže sekundárne vinutie transformátora je uzavreté cez záťaž, EMF v ňom generované bude generovať indukčný prúd, ktorý vytvorí svoje vlastné magnetické pole v sekundárnom vinutí. Smer tohto magnetického poľa bude taký, aby oslabil magnetické pole primárneho vinutia. To znamená, že prúd v primárnom vinutí sa zvýši (pretože zvýšenie zaťaženia v sekundárnom vinutí je ekvivalentné zníženiu indukčnosti primárneho vinutia transformátora, čo znamená zníženie impedancie transformátora pre sieť). A sieť bude vykonávať prácu v primárnom vinutí transformátora, ktorého hodnota bude závisieť od zaťaženia v sekundárnom vinutí.
Elektromagnetická indukcia je fyzikálny jav spočívajúci vo výskyte elektrického prúdu v uzavretom obvode pri zmene toku magnetickej indukcie cez povrch ohraničený týmto obvodom.2. Zmena akých fyzikálnych veličín môže viesť k zmene magnetického toku?
Zmena magnetického toku môže mať za následok zmenu v priebehu času v oblasti povrchu, ktorá je obmedzená obrysom; modul vektora magnetickej indukcie; uhol, ktorý zviera indukčný vektor s plošným vektorom tohto povrchu.3. V akom prípade sa smer indukčného prúdu považuje za kladný a v akom za záporný?
Ak sa zvolený smer obtoku obvodu zhoduje so smerom indukčného prúdu, potom sa to považuje za kladné. Ak je zvolený smer obtoku obvodu opačný ako smer indukčného prúdu, potom sa považuje za negatívny.4. Formulujte zákon elektromagnetickej indukcie. Napíšte jeho matematické vyjadrenie.
EMF elektromagnetickej indukcie v uzavretej slučke má rovnakú veľkosť a opačné znamienko ako rýchlosť zmeny magnetického toku cez povrch, ktorá je obmedzená touto slučkou.5. Formulujte Lenzove pravidlo. Uveďte príklady jeho aplikácie
Indukčný prúd, ktorý sa vyskytuje v obvode, svojim magnetickým poľom pôsobí proti zmene magnetického toku, ktorý tento prúd spôsobil. Napríklad so zvýšením magnetického toku cez obvod bude magnetický tok indukčného prúdu negatívny a výsledný tok, ktorý sa rovná ich súčtu, sa zníži. A s poklesom magnetického toku cez obvod bude magnetický tok indukčného prúdu udržiavať výsledný tok, čím sa zabráni jeho prudkému poklesu.V roku 1834 ruský akademik E. Kh. Lenz, známy svojimi početnými štúdiami v oblasti elektromagnetických javov, dal univerzálne pravidlo na určenie smeru indukovanej elektromotorickej sily (EMF) vo vodiči. Toto pravidlo, známe ako Lenzovo pravidlo, možno formulovať takto:
Smer indukovaného EMF je vždy taký, že ním spôsobený prúd má taký smer, že majú tendenciu interferovať s príčinou, ktorá toto indukované EMF generuje.
Platnosť formulácie Lenzovho pravidla potvrdzujú nasledujúce experimenty:
| Obrázok 1. Odpor vodiča s indukovaným prúdom voči jeho pohybu |
1. Ak je umiestnený tak, ako je znázornené na obrázku 1, spodný vodič prekročí toto magnetické pole. Potom sa vo vodiči indukuje EMF, z ktorého je možné určiť smer. V našom prípade bude smer indukovaného EMF, a teda prúd, smerovať „k nám“. Teraz sa pozrime, ako sa náš vodič s prúdom bude správať v magnetickom poli. Z predchádzajúcich článkov vieme, že vodič s prúdom bude vytlačený z magnetického poľa. Smer tlačenia je určený pravidlom ľavej ruky. V našom prípade tlačná sila smeruje nahor. Indukovaný prúd, ktorý interaguje s magnetickým poľom, teda interferuje s pohybom vodiča, to znamená, že pôsobí proti príčine, ktorá ho spôsobila.
2. Pre experiment zostavíme obvod znázornený na obrázku 2. Keď ho spustíme do cievky (severným pólom dole), všimneme si odchýlku strelky galvanometra. Skúsenosti ukazujú, že smer indukovaného prúdu v cievke bude taký, ako ukazujú šípky na obrázku 2, a. Nech zodpovedá odchýlke šípky doľava od strednej nulovej polohy. V dôsledku toho sa cievka akoby otočila a naznačený smer prúdu vytvára jej severný pól hore a južný pól dole. Keďže rovnaké póly magnetu a solenoidu sa budú odpudzovať, indukovaný prúd v cievke bude interferovať s pohybom permanentného magnetu, to znamená, že bude pôsobiť proti príčine, ktorá to spôsobila.
Obrázok 2. Reakcia solenoidu na pohyb magnetu:
a- dole, b- hore
Ak odstránime permanentný magnet z cievky, ihla galvanometra sa vychýli doprava (obrázok 2, b). Táto odchýlka ihly galvanometra, ako ukazuje skúsenosť, zodpovedá smeru indukovaného prúdu, znázornenému šípkami na obrázku 2, b a oproti smeru prúdu na obrázku 2, a.
Keď určíme póly cievky podľa „pravidla gimletu“, zistíme, že južný pól bude teraz na vrchu cievky a severný na spodku. Opačné póly magnetu a solenoidu, ak sú priťahované, spomalia pohyb magnetu. To znamená, že indukovaný prúd bude opäť pôsobiť proti príčine, ktorá ho spôsobila.
 |
| Obrázok 3. Výskyt indukovaného prúdu II: a- v momente uzavretia okruhu ja, b- v momente otvorenia okruhu |
3. Uzavretie okruhu ja(Obrázok 3, a), prechádzajte prúdom cez vodič AB. Smer prúdu je na obrázku znázornený šípkami. Magnetické pole vodiča AB, vytvorený objaveným prúdom, šíriacim sa vo všetkých smeroch, prekročí vodič VG a v reťazci II dochádza k indukovanému emf. Keďže obvod II je uzavretý voči galvanometru, objaví sa v ňom prúd. Galvanometer sa v tomto prípade zapne rovnakým spôsobom ako v predchádzajúcom experimente.
Šípka galvanometra, ktorá sa odchyľuje doľava, ukazuje, že prúd cez zariadenie prechádza zhora nadol. Pri porovnaní smeru prúdov vo vodičoch AB a VG vidíme, že ich prúdy smerujú rôznymi smermi.
Ako už vieme, vodiče, v ktorých sú prúdy smerované rôznymi smermi, jeden od druhého. Preto dirigent VG s indukovaným prúdom bude mať tendenciu odpudzovať vodič AB(rovnako ako vodič AB od VG), eliminujú vplyv poľa vodiča AB a tým zabrániť príčine, ktorá vyvolala indukovaný prúd.
Indukovaný prúd v obvode II bude trvať krátky čas. Hneď ako dirigent AB sa zriadi, križovanie vodiča sa zastaví VG magnetické pole vodiča AB, prúd obvodu II zmizne.
Keď je okruh otvorený ja miznúci prúd spôsobí zmenšenie magnetického poľa, ktorého indukčné čiary križujú vodič VG, vytvorí v ňom indukovaný prúd rovnakého smeru ako vo vodiči AB(Obrázok 3, b).
Vieme, že vodiče, v ktorých prúd tečie jedným smerom, jeden do druhého. Preto dirigent VG bude mať tendenciu natiahnuť ruku k dirigentovi AB na podporu jeho slabnúceho magnetického poľa.
4. Ako ďalší príklad si zoberme cievku s okrúhlym jadrom z nasekaného oceľového drôtu, na ktorej je voľne nasadený ľahký hliníkový krúžok (obrázok 4). V momente uzavretia obvodu začne vinutím cievky prechádzať magnetické pole, ktorého indukčné čiary pretínajúce hliníkový krúžok v ňom indukujú prúd. V momente zapnutia cievky sa v hliníkovom prstenci objaví indukovaný prúd, ktorý je nasmerovaný inverzne k prúdu v závitoch cievky. Vodiče s rôznymi smermi indukčného prúdu sa navzájom odpudzujú. Preto v momente, keď je cievka zapnutá, hliníkový krúžok vyskočí.
Teraz vieme, že s akoukoľvek zmenou v čase magnetického toku prenikajúceho do obvodu sa v ňom objaví indukované emf, určené rovnosťou:
Výraz v tomto vzorci je priemerná rýchlosť zmeny magnetického toku v priebehu času. Čím kratší je časový interval Δ t tým menej sa vyššie uvedené EMP líši od skutočnej hodnoty v danom čase. Znamienko mínus pred výrazom ukazuje smer indukovaného emf, to znamená, že zohľadňuje Lenzovo pravidlo.
So zvýšením magnetického toku bude výraz pozitívny a EMF bude negatívny. Toto je Lenzove pravidlo: EMP a ním vytvorený prúd pôsobia proti príčine, ktorá ich spôsobila.
Pri rovnomernej zmene v čase magnetického toku bude výraz konštantný. Potom sa absolútna hodnota EMF vo vodiči bude rovnať:
Veľkosť magnetického toku bude:
[F] = [ e × t] = V × sek alebo weber.
Ak nemáme jeden vodič, ale cievku pozostávajúcu z w otáčky, potom bude hodnota indukovaného emf:
Súčin počtu závitov cievky a magnetického toku s nimi spojeného sa nazýva tok cievky a označuje sa písmenom ψ. Preto môže byť zákon napísaný v inej forme:
V roku 1834 ruský akademik E. Kh. Lenz, známy svojimi početnými štúdiami v oblasti elektromagnetických javov, dal univerzálne pravidlo na určenie smeru indukovanej elektromotorickej sily (EMF) vo vodiči. Toto pravidlo, známe ako Lenzovo pravidlo, možno formulovať takto:
Smer indukovaného EMF je vždy taký, že ním spôsobený prúd má taký smer, že majú tendenciu interferovať s príčinou, ktorá toto indukované EMF generuje.
Platnosť formulácie Lenzovho pravidla potvrdzujú nasledujúce experimenty:
| Obrázok 1. Odpor vodiča s indukovaným prúdom voči jeho pohybu |
1. Ak je umiestnený tak, ako je znázornené na obrázku 1, spodný vodič prekročí toto magnetické pole. Potom sa vo vodiči indukuje EMF, z ktorého je možné určiť smer. V našom prípade bude smer indukovaného EMF, a teda prúd, smerovať „k nám“. Teraz sa pozrime, ako sa náš vodič s prúdom bude správať v magnetickom poli. Z predchádzajúcich článkov vieme, že vodič s prúdom bude vytlačený z magnetického poľa. Smer tlačenia je určený pravidlom ľavej ruky. V našom prípade tlačná sila smeruje nahor. Indukovaný prúd, ktorý interaguje s magnetickým poľom, teda interferuje s pohybom vodiča, to znamená, že pôsobí proti príčine, ktorá ho spôsobila.
2. Pre experiment zostavíme obvod znázornený na obrázku 2. Keď ho spustíme do cievky (severným pólom dole), všimneme si odchýlku strelky galvanometra. Skúsenosti ukazujú, že smer indukovaného prúdu v cievke bude taký, ako ukazujú šípky na obrázku 2, a. Nech zodpovedá odchýlke šípky doľava od strednej nulovej polohy. V dôsledku toho sa cievka akoby otočila a naznačený smer prúdu vytvára jej severný pól hore a južný pól dole. Keďže rovnaké póly magnetu a solenoidu sa budú odpudzovať, indukovaný prúd v cievke bude interferovať s pohybom permanentného magnetu, to znamená, že bude pôsobiť proti príčine, ktorá to spôsobila.
Obrázok 2. Reakcia solenoidu na pohyb magnetu:
a- dole, b- hore
Ak odstránime permanentný magnet z cievky, ihla galvanometra sa vychýli doprava (obrázok 2, b). Táto odchýlka ihly galvanometra, ako ukazuje skúsenosť, zodpovedá smeru indukovaného prúdu, znázornenému šípkami na obrázku 2, b a oproti smeru prúdu na obrázku 2, a.
Keď určíme póly cievky podľa „pravidla gimletu“, zistíme, že južný pól bude teraz na vrchu cievky a severný na spodku. Opačné póly magnetu a solenoidu, ak sú priťahované, spomalia pohyb magnetu. To znamená, že indukovaný prúd bude opäť pôsobiť proti príčine, ktorá ho spôsobila.
|
| Obrázok 3. Výskyt indukovaného prúdu II: a- v momente uzavretia okruhu ja, b- v momente otvorenia okruhu |
3. Uzavretie okruhu ja(Obrázok 3, a), prechádzajte prúdom cez vodič AB. Smer prúdu je na obrázku znázornený šípkami. Magnetické pole vodiča AB, vytvorený objaveným prúdom, šíriacim sa vo všetkých smeroch, prekročí vodič VG a v reťazci II dochádza k indukovanému emf. Keďže obvod II je uzavretý voči galvanometru, objaví sa v ňom prúd. Galvanometer sa v tomto prípade zapne rovnakým spôsobom ako v predchádzajúcom experimente.
Šípka galvanometra, ktorá sa odchyľuje doľava, ukazuje, že prúd cez zariadenie prechádza zhora nadol. Pri porovnaní smeru prúdov vo vodičoch AB a VG vidíme, že ich prúdy smerujú rôznymi smermi.
Ako už vieme, vodiče, v ktorých sú prúdy smerované rôznymi smermi, jeden od druhého. Preto dirigent VG s indukovaným prúdom bude mať tendenciu odpudzovať vodič AB(rovnako ako vodič AB od VG), eliminujú vplyv poľa vodiča AB a tým zabrániť príčine, ktorá vyvolala indukovaný prúd.
Indukovaný prúd v obvode II bude trvať krátky čas. Hneď ako dirigent AB sa zriadi, križovanie vodiča sa zastaví VG magnetické pole vodiča AB, prúd obvodu II zmizne.
Keď je okruh otvorený ja miznúci prúd spôsobí zmenšenie magnetického poľa, ktorého indukčné čiary križujú vodič VG, vytvorí v ňom indukovaný prúd rovnakého smeru ako vo vodiči AB(Obrázok 3, b).
Vieme, že vodiče, v ktorých prúd tečie jedným smerom, jeden do druhého. Preto dirigent VG bude mať tendenciu natiahnuť ruku k dirigentovi AB na podporu jeho slabnúceho magnetického poľa.
4. Ako ďalší príklad si zoberme cievku s okrúhlym jadrom z nasekaného oceľového drôtu, na ktorej je voľne nasadený ľahký hliníkový krúžok (obrázok 4). V momente uzavretia obvodu začne vinutím cievky prechádzať magnetické pole, ktorého indukčné čiary pretínajúce hliníkový krúžok v ňom indukujú prúd. V momente zapnutia cievky sa v hliníkovom prstenci objaví indukovaný prúd, ktorý je nasmerovaný inverzne k prúdu v závitoch cievky. Vodiče s rôznymi smermi indukčného prúdu sa navzájom odpudzujú. Preto v momente, keď je cievka zapnutá, hliníkový krúžok vyskočí.
Teraz vieme, že s akoukoľvek zmenou v čase magnetického toku prenikajúceho do obvodu sa v ňom objaví indukované emf, určené rovnosťou:
Výraz v tomto vzorci je priemerná rýchlosť zmeny magnetického toku v priebehu času. Čím kratší je časový interval Δ t tým menej sa vyššie uvedené EMP líši od skutočnej hodnoty v danom čase. Znamienko mínus pred výrazom ukazuje smer indukovaného emf, to znamená, že zohľadňuje Lenzovo pravidlo.
So zvýšením magnetického toku bude výraz pozitívny a EMF bude negatívny. Toto je Lenzove pravidlo: EMP a ním vytvorený prúd pôsobia proti príčine, ktorá ich spôsobila.
Pri rovnomernej zmene v čase magnetického toku bude výraz konštantný. Potom sa absolútna hodnota EMF vo vodiči bude rovnať:
Veľkosť magnetického toku bude:
[F] = [ e × t] = V × sek alebo weber.
Ak nemáme jeden vodič, ale cievku pozostávajúcu z w otáčky, potom bude hodnota indukovaného emf:
Súčin počtu závitov cievky a magnetického toku s nimi spojeného sa nazýva tok cievky a označuje sa písmenom ψ. Preto môže byť zákon napísaný v inej forme:
>> Smer indukčného prúdu. Lenzove pravidlo
Pripojením cievky, v ktorej vzniká indukčný prúd na galvanometer, možno zistiť, že smer tohto prúdu závisí od toho, či sa magnet k cievke približuje (napríklad k severnému pólu) alebo sa od nej vzďaľuje (pozri obr. 2.2, b).
vznikajúce indukčný prúd jedného alebo druhého smeru nejako interaguje s magnetom (priťahuje ho alebo odpudzuje). Cievka, cez ktorú prechádza prúd, je ako magnet s dvoma pólmi - severným a južným. Smer indukčného prúdu určuje, ktorý koniec cievky pôsobí ako severný pól (vychádzajú z neho čiary magnetickej indukcie). Na základe zákona zachovania energie je možné predpovedať, v ktorých prípadoch cievka magnet pritiahne a v akých ho naopak odpudí.
Interakcia indukčného prúdu s magnetom. Ak sa magnet priblíži k cievke, potom sa v ňom objaví indukčný prúd v takom smere, že magnet je nevyhnutne odpudzovaný. Na priblíženie magnetu k cievke je potrebné vykonať pozitívnu prácu. Cievka sa stáva podobnou magnetu, otočená rovnakým pólom ako magnet, ktorý sa k nej približuje. Podobne pomenované póly sa navzájom odpudzujú.
Pri odstránení magnetu naopak vzniká v cievke prúd v takom smere, že sa objaví sila priťahujúca magnet.
Aký je rozdiel medzi týmito dvoma experimentmi: priblíženie magnetu k cievke a jej odstránenie? V prvom prípade sa počet magnetických indukčných čiar prenikajúcich do závitov cievky alebo, čo je to isté, magnetický tok, zvyšuje (obr. 2.5, a) av druhom prípade klesá (obr. 2.5, b). Navyše v prvom prípade indukčné čiary magnetického poľa vytvoreného indukčným prúdom, ktorý vznikol v cievke, vychádzajú z horného konca cievky, pretože cievka odpudzuje magnet, a v druhom prípade na naopak, vstupujú do tohto cieľa. Tieto čiary magnetickej indukcie sú na obrázku 2.5 znázornené čiernou farbou. V prípade a je cievka s prúdom podobná magnetu, ktorého severný pól je nad a v prípade b - pod.
Podobné závery možno vyvodiť pomocou skúseností znázornených na obrázku 2.6. Na koncoch tyče, ktorá sa môže voľne otáčať okolo zvislej osi, sú upevnené dva vodivé hliníkové krúžky. Jeden z nich má strih. Ak magnet privediete ku krúžku bez zárezu, tak sa v ňom objaví indukčný prúd a ten bude smerovaný tak, že sa tento krúžok od magnetu odpudí a tyč sa bude otáčať. Ak magnet z prsteňa odstránite, bude naopak k magnetu priťahovaný. Magnet neinteraguje s rezným krúžkom, pretože rez zabraňuje vzniku indukčného prúdu v krúžku. Cievka odpudzuje alebo priťahuje magnet, závisí to od smeru indukčného prúdu v nej. Preto nám zákon zachovania energie umožňuje sformulovať pravidlo, ktoré určuje smer indukčného prúdu.
Teraz sme sa dostali k hlavnému bodu: so zvýšením magnetického toku cez závity cievky má indukčný prúd taký smer, že magnetické pole, ktoré vytvára, bráni zvýšeniu magnetického toku cez závity cievky. Veď indukčné čiary tohto poľa sú nasmerované proti indukčným čiaram poľa, ktorého zmenou vzniká elektrický prúd. Ak magnetický tok cievkou zoslabne, potom indukcia
prúd vytvára magnetické pole s indukciou, čím sa zvyšuje magnetický tok cez závity cievky.
Toto je podstata všeobecného pravidla na určenie smeru indukčného prúdu, ktoré je použiteľné vo všetkých prípadoch. Toto pravidlo zaviedol ruský fyzik E. X. Lenz.
Podľa Lenzovho pravidla indukčný prúd vznikajúci v uzavretom obvode pôsobí svojim magnetickým poľom proti zmene magnetického toku, ktorou je spôsobený. Stručne povedané, toto pravidlo možno formulovať takto: indukčný prúd je nasmerovaný tak, aby zasahoval do príčiny, ktorá ho spôsobuje.
Použite Lenzovo pravidlo na zistenie smeru indukčného prúdu v obvode nasledovne:
1. Určte smer čiar magnetickej indukcie vonkajšieho magnetického poľa.
2. Zistite, či tok vektora magnetickej indukcie tohto poľa povrchom ohraničeným obrysom (Ф > 0) rastie alebo klesá (Ф< 0).
3. Nastavte smer čiar magnetickej indukcie magnetického poľa indukčného prúdu. Tieto čiary by mali byť podľa Lenzovho pravidla nasmerované opačne k čiaram magnetickej indukcie pri Ф > 0 a mali by mať rovnaký smer ako pri Ф< 0.
4. Keď poznáte smer čiar magnetickej indukcie, nájdite smer indukčného prúdu pomocou gimletovho pravidla.
Smer indukčného prúdu sa určuje pomocou zákona zachovania energie. Vo všetkých prípadoch je indukčný prúd nasmerovaný tak, aby jeho magnetické pole zabránilo zmene magnetického toku, ktorá to spôsobuje indukčný prúd.
1. Ako sa určuje smer indukčného prúdu?
2. Vznikne elektrické pole v prstenci s rezom, ak k nemu prinesiete magnet!
