Глава 3. Электромагнитные явления. § 60. Направление индукционного тока. Правило Ленца — с. 218
§ 60. Вопрос 1. Для чего проводился опыт, изображённый на рисунках 168 и 171?
Опыт с лёгкой алюминиевой пластинкой, на концах которой закреплены сплошное кольцо и кольцо с разрезом, проводился, чтобы выяснить, как направлен индукционный ток в замкнутом проводнике. Он показывает, как поведёт себя кольцо при увеличении магнитного потока через него (магнит вносят в кольцо, рис. 168) и при уменьшении потока (магнит удаляют, рис. 171). По тому, отталкивается кольцо от магнита или притягивается к нему, судят о направлении магнитного поля индукционного тока, а затем по правилу правой руки определяют и направление самого тока. Так был подготовлен вывод правила Ленца.
§ 60. Вопрос 2. Почему кольцо с разрезом не реагирует на приближение магнита?
При приближении магнита магнитный поток через оба кольца увеличивается, и в обоих проводниках возникает индукционная ЭДС. Однако в кольце с разрезом цепь не замкнута, поэтому упорядоченного движения зарядов, то есть индукционного тока, нет. Нет тока — нет и собственного магнитного поля кольца, которое могло бы взаимодействовать с полем магнита. Кольцо не отталкивается и остаётся на месте, тогда как сплошное кольцо, в котором течёт индукционный ток, отталкивается и поворачивает пластинку.
§ 60. Вопрос 3. Объясните явления, происходящие при приближении магнита к сплошному кольцу (см. рис. 170); при удалении магнита от кольца (см. рис. 172).
Приближение. При приближении к кольцу полюса магнита неоднородное поле магнита становится в области кольца сильнее, и магнитный поток через кольцо увеличивается. В сплошном кольце возникает индукционный ток, который создаёт собственное магнитное поле, и кольцо приобретает свойства магнита. Опыт показывает, что кольцо отталкивается от магнита: значит, кольцо и магнит обращены друг к другу одноимёнными полюсами, а векторы индукции Bк (кольца) и Bм (магнита) направлены противоположно. Так кольцо противодействует увеличению внешнего магнитного потока (на рисунке магнит приближается северным полюсом, ближняя к нему сторона кольца становится северным полюсом).
Удаление. Магнитный поток через кольцо уменьшается, в кольце снова возникает индукционный ток, но его направление противоположно прежнему. Кольцо притягивается к магниту и следует за ним: кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами, векторы Bк и Bм направлены в одну сторону. Поле индукционного тока в этом случае поддерживает убывающий поток, то есть противодействует его уменьшению.
Удаление. Магнитный поток через кольцо уменьшается, в кольце снова возникает индукционный ток, но его направление противоположно прежнему. Кольцо притягивается к магниту и следует за ним: кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами, векторы Bк и Bм направлены в одну сторону. Поле индукционного тока в этом случае поддерживает убывающий поток, то есть противодействует его уменьшению.
§ 60. Вопрос 4. Как определить направление индукционного тока в кольце?
Сначала определяют направление вектора магнитной индукции Bм поля магнита в области кольца (по расположению полюсов: линии выходят из северного полюса). Затем выясняют, увеличивается или уменьшается поток через кольцо. Если поток растёт, поле индукционного тока направлено противоположно Bм (Bк ↑↓ Bм), если убывает — в ту же сторону (Bк ↑↑ Bм). Зная направление вектора Bк в центре кольца, по правилу правой руки находят направление тока: если большой палец правой руки направить по вектору Bк, то четыре согнутых пальца покажут направление индукционного тока в кольце.
§ 60. Вопрос 5. Сформулируйте правило Ленца.
Правило Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует изменению внешнего магнитного потока, которое вызвало этот ток. Иначе говоря, при увеличении внешнего потока поле индукционного тока направлено против внешнего поля, а при уменьшении потока — в ту же сторону, что и внешнее поле. Правило установил в 1833 г. русский учёный Э. Х. Ленц.
Упражнение 49. Задача 1. Как вы думаете, почему прибор, изображённый на рисунке 168, изготовлен из алюминия?
Как проходил бы опыт, если бы прибор был железным; медным?
Алюминий почти не взаимодействует с магнитом: он не намагничивается и не притягивается к нему. Поэтому единственное, что отклоняет кольцо при приближении магнита, — это магнитное поле индукционного тока. Кроме того, алюминий лёгкий и хорошо проводит ток, так что пластинка легко поворачивается, а ток в сплошном кольце достаточно велик.
Если бы прибор был железным, то оба кольца (и сплошное, и с разрезом) намагничивались бы и притягивались к магниту при его приближении, независимо от индукционного тока; эффект отталкивания сплошного кольца наблюдать не удалось бы, и разницы между кольцами не было бы.
Если бы прибор был медным, опыт проходил бы так же, как с алюминиевым: медь тоже не намагничивается и хорошо проводит ток, сплошное кольцо отталкивалось бы, а кольцо с разрезом оставалось на месте. Однако медь значительно плотнее алюминия, и тяжёлую пластинку труднее привести в движение, поэтому эффект был бы заметен хуже.
Если бы прибор был железным, то оба кольца (и сплошное, и с разрезом) намагничивались бы и притягивались к магниту при его приближении, независимо от индукционного тока; эффект отталкивания сплошного кольца наблюдать не удалось бы, и разницы между кольцами не было бы.
Если бы прибор был медным, опыт проходил бы так же, как с алюминиевым: медь тоже не намагничивается и хорошо проводит ток, сплошное кольцо отталкивалось бы, а кольцо с разрезом оставалось на месте. Однако медь значительно плотнее алюминия, и тяжёлую пластинку труднее привести в движение, поэтому эффект был бы заметен хуже.
Упражнение 49. Задача 2. В данном ниже перечне логических операций, которые мы выполняли для определения направления индукционного тока, нарушена последовательность их проведения. Запишите в тетради буквы, обозначающие эти операции, расположив их в правильной последовательности.
а) Определили направление индукционного тока в кольце (пользуясь правилом правой руки).
б) Определили направление вектора индукции Bк магнитного поля тока в кольце по отношению к направлению вектора магнитной индукции Bм поля магнита, исходя из того, что кольцо отталкивается от магнита при его приближении (значит, они обращены друг к другу одноимёнными полюсами, и Bк ↑↓ Bм) и притягивается при удалении (значит, кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами, и Bк ↑↑ Bм).
в) Определили направление вектора магнитной индукции Bм поля магнита (по расположению его полюсов).
а) Определили направление индукционного тока в кольце (пользуясь правилом правой руки).
б) Определили направление вектора индукции Bк магнитного поля тока в кольце по отношению к направлению вектора магнитной индукции Bм поля магнита, исходя из того, что кольцо отталкивается от магнита при его приближении (значит, они обращены друг к другу одноимёнными полюсами, и Bк ↑↓ Bм) и притягивается при удалении (значит, кольцо и магнит обращены друг к другу разноимёнными полюсами, и Bк ↑↑ Bм).
в) Определили направление вектора магнитной индукции Bм поля магнита (по расположению его полюсов).
Чтобы определить направление индукционного тока, нужно действовать в таком порядке. Сначала по расположению полюсов магнита находим направление его поля Bм в области кольца (операция в). Затем по поведению кольца (отталкивание при приближении, притяжение при удалении) устанавливаем, как направлен вектор Bк поля индукционного тока относительно Bм: противоположно или одинаково (операция б). И только после этого, зная направление Bк в центре кольца, определяем по правилу правой руки направление самого индукционного тока (операция а).
Ответ: в, б, а.
Ответ: в, б, а.