24. Indukcja elektromagnetyczna

24.2 Reguła Lenza

  Zauważmy, że w równaniu (24.1) przedstawiającym prawo Faradaya występuje znak minus. Dotyczy on kierunku indukowanej SEM w obwodzie zamkniętym. Ten kierunek możemy wyznaczyć na podstawie reguły Lenza. Według niej

Prawo, zasada, twierdzenie
Prąd indukowany ma taki kierunek, że wytwarzany przez niego własny strumień magnetyczny przeciwdziała pierwotnym zmianom strumienia, które go wywołały.

Regułę tę obrazują rysunki-animacje pokazane poniżej. Przedstawiają one efekt wywołany przemieszczaniem źródła pola magnetycznego (magnesu) względem nieruchomej pętli (obwodu) zarówno przy zbliżaniu (a) jak i przy oddalaniu magnesu (b).

Pokazują, że kierunek prądu indukowanego w pętli i wytwarzanego przez niego pola magnetycznego zależy od tego czy strumień pola magnetycznego pochodzącego od przesuwanego magnesu rośnie czy maleje to jest od tego czy zbliżamy czy oddalamy magnes od przewodnika.

Kliknij w dowolnym miejscu na rysunku żeby uruchomić animację. Ponowne kliknięcie oznacza powrót do początku.

 Rys. 24.4. Ilustracja reguły Lenza. Prąd indukowany (czerwona strzałka) wytwarza pole przeciwne 
do pola magnesu przy jego zbliżaniu, a zgodne z polem magnesu przy jego oddalaniu

Reguła Lenza została podsumowana jeszcze raz na rysunku poniżej

 Rys. 24.5. Ilustracja reguły Lenza

Prąd i indukowany w obwodzie ma taki kierunek, że pole indukcji Bind przez niego wytworzone przeciwdziała zmianom zewnętrznego pola B (np. od magnesu). Gdy pole B narasta to pole Bind jest przeciwne do niego (przeciwdziałając wzrostowi), natomiast gdy pole B maleje to pole Bind jest z nim zgodne (kompensując spadek).

Na rysunku 24.6 pokazany jest kolejny przykład ilustrujący zjawisko indukcji i regułę Lenza. Obwód w kształcie prostokątnej pętli jest wyciągany z obszaru stałego pola magnetycznego (prostopadłego do pętli) ze stałą prędkością v.

Przestawiona sytuacja jest podobna do omawianej poprzednio i pokazanej na rysunku 24.4, tylko teraz obwód przemieszcza się względem pola magnetycznego, a nie źródło pola względem obwodu . Jak już jednak mówiliśmy dla powstania prądu indukcyjnego potrzebny jest względny ruch źródła pola magnetycznego i przewodnika.

 Rys. 24.6. Ramka wyciągana z obszaru pola magnetycznego ze stałą prędkością v

W wyniku ruchu ramki maleje strumień pola przenikający przez ten obwód ponieważ malej obszar ramki, który wciąż pozostaje w polu magnetycznym; przez ramkę przenika coraz mniej linii pola B.

Jeżeli ramka przesuwa się o odcinek Δx to obszar ramki o powierzchni ΔS wysuwa się z pola B i strumień przenikający przez ramkę maleje o

(24.6)

gdzie a jest szerokością ramki. Jeżeli ta zmiana nastąpiła w czasie Δt to zgodnie z prawem Faradaya wyindukowała się siła elektromotoryczna

(24.7)

gdzie v jest prędkością ruchu ramki

Jeżeli ramka jest wykonana z przewodnika o oporze R to w obwodzie płynie prąd indukcji (zaznaczony na rysunku 24.6 czerwonymi strzałkami) o natężeniu

(24.8)

Ponieważ obwód znajduje się (częściowo) w polu magnetycznym to na boki ramki (te znajdujące się w polu B) działa siła Lorentza (równanie 22.13). Siły te są przedstawione na rysunku 24.6. Widzimy, że siły (Fb) działające na  dłuższe boki ramki znoszą się i pozostaje nieskompensowana siła Fa, która działa przeciwnie do kierunku ruchu ramki. Siła Fa przeciwdziała więc, zgodnie z regułą Lenza, zmianom strumienia magnetycznego.