3.4.3. Закон ленца

У різних дослідах з електромагнітної індукції напрям індукційного струму неоднаковий. Цю закономірність пояснив Е.Х. Ленц, керуючись ідеєю збереження матерії та руху.

Закон Ленца стверджує: напрям індукційного струму завжди такий, що його власне магнітне поле протидіє тій зміні магнітного потоку, в результаті якої він сам виникає.

Закон Ленца розкриває взаємозв'язок між індукційним струмом І_і, зумовленим ним магнітним потоком Ф_і, і зміною Ф магнітного потоку деякого зовнішнього поля. В мнемонічній формі це відобра­жено на рис. 4.4.4. Стрілка на рисунку показує, що зміна Ф магнітного потоку передусім спричиняє появу індукційного струму І_і, струм супроводиться виникненням магнітного потоку Ф_і ( що протидіє зміні Ф магнітного потоку зовнішнього поля).

Рис. 3.12. Закон Ленца

Закон Ленца визначає протидію, в процесі долання якої енергія з одного виду перетворюється в інший, і збереження руху. Пояснимо це на таких прикладах. Якщо полюс N постійного магніту наближати до замкнутої котушки, то магніт і котушка відштовхуються (рис. 3.11). Це пояснюється тим, що на ближчому кінці котушки виникає однойменний полюс магнітного поля індукованого струму. З віддаленням магніту від котушки між ними спостерігається притягання (рис. 3.12). В обох випадках зміна навідного потоку Ф₁ через витки котушки компенсується зміною наведеного магнітного потоку Ф₂ протилежного напряму. До такого самого висновку прийдемо, якщо

переміщуватимемо відносно котушки полюс S постійного магніту або замінимо постійний магніт котушкою із струмом.

Електромагнітна iндукція дає можливість перетворювати інші форми енергії в електричну енергію. На цьому явищі базується вся сучасна електро- і радіотехніка.

3.4.4. Основний закон електромагнітної індукції

Закон, що визначає електрорушійну силу індукції, був експери­ментальне встановлений Фарадеєм і названий його іменем. Гельмгольц показав, що електродинамічний закон Фарадея можна встановити, керуючись ідеєю збереження енергії. Візьмемо плоский струмопровідний контур з рухомою ділянкою l в площині, перпендикулярній до вектора магнітного поля (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Дослід М.Фарадея, що встановлює закон електромагнітної індукції

Нехай під дією зовніш­ньої сили рухома ділянка контура поступально переміщується з поло­ження L₁ в L₂, проходячи за час dt відстань dх, не порушуючи струмопровідності контура. Оскільки про­відник рухається зліва направо, в контурі виникне індукційний струм у напрямі руху стрілки годинника (при такому напрямі струму його поле дещо компенсує зменшення потоку магнітної індукції через площу, обмежену провідним конту­ром). Цей струм може бути використаний для виконання певної роботи.

Якщо за час dt руху ділянки l виникає ЕРС індукції і в контурі проходить струм І, то виконувана робота струму дорівнюватиме:

. (3.26)

Одночасно з появою в контурі індукційного струму І на ділянку l діятиме сила Ампера , напрямлена проти руху, і, щоб подолати її, треба виконати механічну роботу:

. (3.27)

На основі закону збереження енергії можна стверджувати, що затрачувана робота (3.26) на подолання сил магнітного поля при перемі­щенні провідника l дорівнює роботі, яка може виконуватися індук­ційним струмом (3.27):

, (3.28)

звідки:

, (3.29)

тобто величина ЕРС індукції залежить не просто від зміни магнітного потоку через площу, обмежену контуром, а від швидкості зміни магнітного потоку через цю площу. Знак мінус у (3.) математично відображує зміст закону Ленца.

Від зміни магнітного поля в просторі індукційний струм виникатиме не тільки в лінійному струмопровідному контурі, що його оточує, а й у розміщеному тут масивному струмопровідному тілі. Завдя­ки малому електричному опору таких тіл індукційні струми в них можуть досягати значної густини; їх напрями визначають­ся за законом Ленца. Вихрові індукційні струми в масивних тілах називаються струмами Фуко. Зав­дяки цим струмам у тілах виділяється значна кількість теплоти. Для зменшення втрат на нагрівання вихровими струмами якорі динамомашин і сердечники трансформаторів виготовляють не з суцільного заліза, а з тонких пластин або тонких дротин, покритих непровідним лаком. Площини пластин або дротини розміщують перпендикулярно до можливих напрямів струмів Фуко.

Теплову дію струмів Фуко використовують для плавлення металів, нагрівання і поверхневого гартування стальних виробів, а гальмівну - в конструкціях магнітних демпферів - заспокоювачів рухомих стрілок у гальванометрах, сейсмографах та інших приладах.