19 Правило Ленца

Урок №2/38
Тема №19: «Правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Роль
магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце.»
1 Тест по теме «Явление электромагнитной индукции.» (ТС-13)
2 Правило Ленца.
Опыт показывает, что направление индукционного тока в контуре зависит от
того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур, а
также от направления вектора индукции магнитного поля относительно
контура. Общее правило, позволяющее определить направление
индукционного тока в контуре, было установлено в 1833 г. Э. X. Ленцем.
Правило Ленца можно наглядно показать с помощью легкого
алюминиевого кольца (рис. 195).
Опыт показывает, что при внесении постоянного магнита кольцо
отталкивается от него, а при удалении притягивается к магниту. Результат
опытов не зависит от полярности магнита.
Отталкивание и притяжение сплошного кольца объясняется
возникновением индукционного тока в кольце при изменениях магнитного
потока через кольцо и действием на индукционный ток магнитного поля.
Очевидно, что при вдвигании магнита в кольцо индукционный ток в нем
имеет такое направление, что созданное этим током магнитное поле
противодействует внешнему магнитному полю, а при выдвигании магнита
индукционный ток в нем имеет такое направление, что вектор индукции его
магнитного поля совпадает по направлению с вектором индукции внешнего
поля.
Общая формулировка правила Ленца: возникающий в замкнутом
контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им
магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится
компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается
данный ток.
.). Рис. 4.20.2 иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного
проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле,
модуль индукции которого увеличивается во времени.
2
Рисунок 4.20.2. Иллюстрация
правила Ленца. В этом примере
а инд < 0. Индукционный
ток Iинд течет навстречу
выбранному положительному
направлению обхода контура.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон
сохранения энергии. Ценность этого теоретического вклада Ленца состоит
еще и в том, что он впервые установил связь между электромагнитными и
электродинамическими явлениями. В этой работе Ленца говорилось: «работа
перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во
втором проводнике». Эти слова не что иное, как формулировка в
применении к электричеству принципа сохранения энергии и превращения
одного ее вида в другой.
3 Вихревое электрическое поле.
. Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может
происходить по двум причинам:
1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его
частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда
проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в
магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием
силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила
Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур,
– изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В
этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить
действием силы Лоренца. Электроны в неподвижном проводнике могут
приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое
поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Работа
этого поля при перемещении единичного положительного заряда по
замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Следовательно, электрическое поле, порожденное изменяющимся
магнитным полем, не является потенциальным.
Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом
электрическом поле было введено в физику великим английским физиком
Дж. Максвеллом (1861 г.). Явление электромагнитной индукции в
неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего
магнитного поля, также описывается формулой Фарадея
Работа сил вихревого электрического поля по перемещению электрических
зарядов и является работой сторонних сил, источником ЭДС индукции.
Вихревое электрическое поле отличается от электростатического поля тем,
что оно не связано с электрическими зарядами, его линии напряженности
представляют собой замкнутые линии. Работа сил вихревого электрического
поля при движении электрического заряда по замкнутой линии может быть
отлична от нуля.
4 Роль магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце.»
Магнитное поле по современным представлениям формируется внутри
Солнца в его конвективной зоне, расположенной непосредственно под
солнечной поверхностью (фотосферой). Роль магнитного поля в динамике
происходящих на Солнце процессов - огромна. Судя по всему, оно является
ключом ко всем активным явлениям, происходящим в солнечной атмосфере,
в том числе к солнечным вспышкам. Можно сказать, что если бы Солнце не
обладало магнитным полем, то оно было бы крайне скучной звездой.
Многие объекты, наблюдаемые на Солнце, также обязаны своим
происхождением магнитному полю. Так, например, солнечные пятна
представляют собой места, где гигантские магнитные петли, всплывающие
из недр Солнца, проникают сквозь солнечную поверхность. Именно по этой
причине группы пятен, как правило, состоят из двух областей
различной магнитной полярности - северной и южной. Эти две области
соответствуют противоположным основаниям всплывающей магнитной
трубки. Цикл солнечной активности также является результатом
циклических изменений магнитного поля, происходящих в солнечных
недрах. Протуберанцы, которые как бы парят в пустоте над поверхностью
Солнца, в действительности поддерживаются линиями магнитного поля,
которыми они пронизаны. Наконец, многие объекты, наблюдаемые в короне,
в частности стримеры и петли, просто повторяют своей формой
топологию окружающих их магнитных полей.
Измерения магнитных полей
Магнитное поле влияет на движение попадающих в него заряженных частиц.
По этой причине входящие в состав любого атома электроны, вращающиеся
вокруг ядра в одном направлении, попав в магнитное поле увеличат свою
энергию, в то время как электроны, вращающиеся в другом направлении,
свою энергию уменьшат. Этот эффект (эффект Зеемана) приводит к
расщеплению линий излучения атома на несколько компонент. Измерение
этого расщепления позволяет определять величину и направление
магнитного поля на удаленных от нас объектах, недоступных для прямого
исследования, таких как Солнце. Современные методы измерения позволяют
с высокой точностью определять поле на поверхности Солнца, однако часто
бессильны при измерении трехмерного поля в солнечной короне. В этом
случае для восстановления полной трехмерной картины поля по
поверхностным измерениям используются особые математические методы.
Предсказание космической погоды
Понимание природы солнечного магнитного поля и его поведения
позволит делать более надежные предсказания космической погоды. В
настоящее время известны некоторые косвенные признаки, указывающие на
то, что в активной области может произойти вспышка. Однако более
долгосрочные предсказания, такие, например, как
предсказание продолжительности будущего солнечного цикла, все еще
являются чрезвычайно неточными и основываются не на строгих
физических моделях, а на поиске разного рода эмпирических зависимостей.
Тем не менее мы надеемся, что в скором будущем мы сможем понять
Солнце достаточно хорошо, чтобы моделировать его будущую активность и
предсказывать космическую погоду так же, как сейчас
предсказывается погода на Земле.
5 Задачи на закрепление изученной темы.
1. Знаменитый английский физик М. Фарадей в 1831 году открыл явление
электромагнитной индукции. Фарадей долго и тщательно искал это явление,
руководствуясь общей идеей о связи электрических и магнитных явлений.
Одновременно с Фарадеем и независимо от него в этом же направлении
работал швейцарский физик Колладон, руководствуясь той же идеей. Опыт
Колладона состоял в следующем: концы соленоида соединялись с
гальванометром, который для устранения непосредственного влияния
магнита был вынесен в соседнюю комнату, Колладон вдвигал магнит в
соленоид и шёл в соседнюю комнату смотреть, что показывает гальванометр.
В чём была ошибка Колладона? Почему ему не удалось открыть явление
электромагнитной индукции?
2. Три одинаковых полосовых магнита падают в вертикальном положении
одновременно с одной высоты (рисунок 1). Первый падает свободно, второй
во время падения проходит сквозь незамкнутое кольцо, третий – сквозь
замкнутое кольцо. Сравните время падения магнитов. Ответы обоснуйте на
основании правила Ленца и закона сохранения энергии.
3 Определите направление индукционного тока в замкнутом проводящем
контуре, находящемся в однородном магнитном поле с индукцией , одна из
сторон которого может скользить без нарушения электрического контакта с
остальными. Магнитное поле перпендикулярно плоскости рамки.
Рассмотрите случаи: 1) перекладина движется вправо в магнитном поле,
направленном за плоскость рисунка; 2) перекладина движется влево.
4 При каком направлении движения контура в магнитном поле в контуре
будет возникать индукционный ток?
5 Укажите направление индукционного тока в контуре при введении его в
однородное магнитное поле.
6 Как изменится магнитный поток в рамке, если рамку повернуть на 90
градусов из положения 1 в положение 2 ?
7 Будет ли возникать индукционный ток в проводниках, если они движутся
так, как показано на рисунке?
8 Определить направление индукционного тока в проводнике АБ,
движущемся в однородном магнитном поле.
9 Указать правильное направление индукционного тока в контурах.