Электромагнитная индукция и правило Ленца

Магнит движется к катушке без батарейки — прибор показывает ток. Остановим магнит, сохранив его рядом: показание исчезает. Почему сильного поля недостаточно и важна его перемена?

Вообразим поверхность, натянутую на проволочное кольцо, как плёнка на обруче. Нужно описать не только поле в одной точке, но и то, как оно проходит через всю эту поверхность. Для этого вводят магнитный поток Φ. Он зависит от магнитной индукции, площади и ориентации поверхности. Слово «поток» здесь не означает, что через кольцо течёт магнитное вещество: это величина, объединяющая поле и геометрию.

В простом случае однородного поля, перпендикулярного плоскости кольца, модуль потока Φ = BS. Удвоим площадь при прежнем B — получим вдвое больший поток; ослабим B вдвое — поток уменьшится вдвое. B в Тл и S в м² дают веберы: 1 Вб = 1 Тл·м². При повороте кольца зависимость меняется: если поле идёт вдоль его плоскости, поток через неё равен нулю. Поэтому Φ = BS нельзя применять без условия ориентации.

Увеличить поток можно разными способами: приблизить магнит, усилить ток соседней катушки, изменить площадь кольца или повернуть его. Во всех случаях надо сравнивать поле через выбранную поверхность до и после. А теперь передвинем кольцо целиком внутри неизменного однородного поля, сохраняя его площадь и ориентацию. Поток останется прежним. Этот пример показывает, почему фразы «есть движение — значит есть индукция» недостаточно.

При изменении магнитного потока возникает индукционная ЭДС. Несмотря на слово «сила» в полном названии, это не сила в ньютонах: величина измеряется в вольтах и описывает работу индуцированного электрического действия на единицу заряда при обходе контура. Если путь проводящий и замкнут, может идти индукционный ток. Разрыв прекращает устойчивый ток, но не обязательно устраняет возникающее между концами напряжение: путь и причина движения — разные условия.

Остановим магнит относительно неподвижной катушки. Если остальные условия постоянны, поток больше не меняется, поэтому от его изменения нет индукционной ЭДС. Большое постоянное поле не заменяет маленькое меняющееся. Ранее возникший ток в обычной цепи с сопротивлением затухает после переходного процесса. Значит, нулевое установившееся показание прибора не означает, что возле катушки нет магнитного поля.

В какую сторону пойдёт ток? Он сам создаёт магнитное поле. По правилу Ленца это поле противодействует изменению внешнего потока, вызвавшему ток. Если внешний поток растёт, собственное поле мешает росту; если уменьшается — стремится поддержать прежний поток. Оно не обязано всегда быть противоположно внешнему полю. Поэтому сначала назови изменение, затем определи нужное направление действия, и только после этого — направление тока.

Приближаем северный полюс N к замкнутой катушке: внешний поток растёт. Ближний торец катушки становится N и отталкивает магнит, препятствуя приближению. Теперь удаляем тот же полюс: поток уменьшается, ближний торец становится S и притягивает удаляющийся N. В обоих опытах действие мешает вызвавшему ток изменению. Правило «катушка всегда отталкивает магнит» прошло бы первую проверку и провалилось бы на второй.

Откуда взялась энергия нагрева катушки, если батарейки нет? Двигая магнит против индукционного действия, внешнее тело совершает работу. Эта энергия передаётся электрической цепи и может выделяться в ней как теплота. Если бы возникший ток сам усиливал вызвавшее его движение без затрат, система могла бы непрерывно увеличивать энергию из ничего. Поэтому противодействие Ленца согласуется с сохранением энергии; постоянный магнит сам по себе не является неисчерпаемым источником.

Северный полюс удаляют от замкнутой катушки. Каким становится её ближний торец?

Северный полюс удаляется, поэтому созданный им поток через катушку уменьшается. По правилу Ленца собственное поле тока должно мешать именно этому уменьшению.

Катушка должна притягивать удаляемый N. Значит, её ближний торец становится южным S; одинаковые полюса дали бы противоположное действие.

Если магнит остановить и больше ничего не менять, изменение внешнего потока прекратится. В обычной катушке ток затем исчезнет после переходного процесса.

Ближний торец становится южным. Притяжение противодействует удалению магнита и требует внешней работы для продолжения движения.

Индукцию определяет изменение потока через контур, а не само присутствие магнита или любое движение.

ЭДС и напряжение могут возникать при разрыве, но для устойчивого индукционного тока нужен проводящий замкнутый путь.

Правило Ленца направляет действие против изменения потока и позволяет проследить источник получаемой энергии.

Генератор постоянно меняет поток вращением. Дальше проследим путь энергии до потребителя.