Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции

Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции

11 класс

Опыт Ленца

Эмилий Христианович Ленц

(1804-1865)

Российский физик и электротехник немецкого происхождения, путешественник, географ, океанограф, академик Петербургской АН (1830), ректор Санкт-Петербургского университета 

Правило Ленца

• Направление индукционного тока в замкнутом контуре зависит от направления вектора индукции магнитного поля относительно контура и характера изменения магнитного потока, пронизывающего контур (уменьшается магнитный поток или возрастает) .
• Э. X. Ленц установил общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока.

• Правило Ленца : возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет всегда такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток.

• На рисунке указаны направления индукционных токов в замкнутом витке, вызванных перемещением магнита.

В  — магнитная индукция поля постоянного магнита

— магнитная индукция поля индукционного тока , причем направление и направление индукционного тока  подчиняются правилу правого буравчика (правой руки).

- индукционный ток

Закон электромагнитной индукции  

М. Фарадеем экспериментально было установлено, что при изменении магнитного потока, в проводящем контуре возникает электродвижущая сила индукции, которая равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

= -

Знак минус в этой формуле отражает правило Ленца.

Закон электромагнитной индукции:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

=

- ЭДС индукции

– изменение магнитного потока

– промежуток времени, в течение которого произошло изменение магнитного потока

Майкл Фарадей, 1791–1867

Задачи ЕГЭ по теме «Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции

Задача 1

  При при выдвижении магнита из кольца кольцо будет

1) оставаться неподвижным

2) Перемещаться

3) совершать колебания

4) перемещаться вслед за магнитом

Решение: При выдвижении магнита из кольца магнитный поток от магнита через кольцо будет уменьшаться. В замкнутом кольце возникает индукционный ток. Направление этого тока по правилу Ленца такое, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока. Кольцо под действием сил Ампера начнёт двигаться так, чтобы препятствовать изменению магнитного потока. Следовательно, коромысло начнёт перемещаться вслед за магнитом.

Ответ:4) перемещаться вслед за магнитом.

Задача 2

По гладким горизонтальным проводящим рельсам, находящимся в однородном вертикальном магнитном поле, движется прямая медная перемычка (см. рис. — вид сверху). Концы рельсов соединены проводом. Определите, как направлен внутри контура, образованного рельсами, проводом и перемычкой, вектор индукции магнитного поля, создаваемого индуцированным током. Направление определите относительно рисунка (вправо, влево, вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя). Ответ запишите словом (словами).

Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2015 по физике.

Задача 2. Решение:

По закону Фарадея, индукционный ток в замкнутом контуре возникает в результате изменения магнитного потока через контур. Направление возникающего индукционного тока определяется при помощи правила Ленца, согласно которому индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Из условия задачи следует, что магнитный поток через рамку уменьшается за счет уменьшения площади контура. Отсюда следует, что, по правилу Ленца в контуре возникнет индукционный ток и индукционное поле, создаваемое этим током, будет сонаправлено с внешним полем. 

Ответ: к наблюдателю.

Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2015 по физике.

Задача 3.

Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой на её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рис.). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа?

Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы вы использовали для объяснения

Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2015 по физике.

Задача 3. Решение:

1. Когда ключ разомкнут, тока в катушке нет, магнит висит неподвижно, и пружина растянута.

2. После замыкания ключа в катушке потечёт ток (от плюса к минусу источника напряжения) и индукция магнитного поля катушки (вблизи её оси) будет направлена вниз (правило буравчика).

3. Катушка с током аналогична полосовому магниту, северный полюс которого в данном случае расположен у её нижнего торца, а южный — у верхнего. Поскольку разноименные полюса магнитов притягиваются друг к другу, значит, магнит будет притягиваться к катушке (опускаться вниз)

Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2015 по физике.

Задача 4.

В зазоре между полюсами электромагнита создано сильное магнитное поле, линии индукции которого практически горизонтальны.

Над зазором на некоторой высоте удерживают длинную плоскую медную пластинку, параллельную вертикальным поверхностям полюсов (см. рис.).

Затем пластинку отпускают без начальной скорости, и она падает, проходя через зазор между полюсами, не касаясь их.

Опишите, опираясь на физические законы, как и почему будет изменяться скорость пластинки во время ее падения.

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.3.3 Сила Ампера, её направление и величина ,  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 4. Решение:

1. Сначала пластинка начинает падать под действием силы тяжести с ускорением свободного падения ,  при этом ее скорость увеличивается.

2. Как только нижний край пластинки достигает области между полюсами магнита, в которой существует сильное магнитное поле, магнитный поток через пластинку начинает возрастать, и в ней по закону электромагнитной индукции Фарадея появляются вихревые индукционные токи («токи Фуко»). Эти токи взаимодействуют по закону Ампера с магнитным полем магнита, и, в соответствии с правилом Ленца, появляется сила, тормозящая падение пластинки. Поэтому ускорение пластинки начинает уменьшаться.

3. Когда тормозящая сила сравнивается с силой тяжести, то ускорение пластинки становится равным нулю, и пластинка далее падает в зазоре электромагнита с постоянной скоростью.

4. Когда верхний край пластинки достигает верхнего края зазора электромагнита, магнитный поток через пластинку начинает падать, и тормозящая сила уменьшается. При этом в соответствии со вторым законом Ньютона скорость пластинки возрастает, и после ее выхода из магнитного поля продолжается падение с ускорением свободного падения

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.3.3 Сила Ампера, её направление и величина ,  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 5.

Катушка № 1 включена в электрическую цепь, состоящую из источника напряжения и реостата. Катушка № 2 помещена внутрь катушки № 1 и замкнута (см. рис.).

Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения, характеризующих процессы в цепи и катушках при перемещении ползунка реостата вправо.

1) Магнитный поток, пронизывающий катушку № 2, увеличивается.

2) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2, в центре этой катушки направлен от наблюдателя.

3) Вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 1, всюду увеличивается.

4) В катушке № 2 индукционный ток направлен по часовой стрелке.

5) Сила тока в катушке № 1 увеличивается.

Источник: ЕГЭ по физике. Вариант 114

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 5. Решение:

Сопротивление реостата при перемещении ползунка вправо будет увеличиваться, а значит, по закону Ома сила тока в цепи будет уменьшаться.

Проверим правильность утверждений.

1) Так как сила тока уменьшается, то будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий катушку № 2. Утверждение 1 — неверно.

2) В катушке № 1 ток течёт по часовой стрелке, и по правилу буравчика эта катушка будет создавать магнитное поле, направленное от наблюдателя. В силу того, что сила тока в цепи уменьшается, будет уменьшаться и магнитный поток, пронизывающий вторую катушку. При этом согласно правилу Ленца во второй катушке будет создаваться индукционный ток, который направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван. В этом случае вектор индукции магнитного поля, созданного катушкой № 2, в центре этой катушки сонаправлен с внешним полем и направлен от наблюдателя. Утверждение 2 — верно.

3) Магнитное поле, создаваемое катушкой № 1 будет ослабевать. Утверждение 3 — неверно.

4) По правилу буравчика, индукционный ток в катушке № 2 направлен по часовой стрелке. Утверждение 4 — верно.

5) Сила тока в катушке № 1 уменьшается. Утверждение 5 — неверно.

Ответ: 24.

Задача 6

От деревянного кольца № 1 отодвигают южный полюс полосового магнита, а от медного кольца № 2 — северный полюс (см. рис.).

Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения.

1) Кольцо № 2 отталкивается от магнита.

2) В кольце № 2 возникает индукционный ток.

3) Кольцо № 1 притягивается к магниту.

4) В кольце № 1 индукционный ток не возникает.

5) В опыте с кольцом № 1 наблюдается явление электромагнитной индукции.

Источник: ЕГЭ по физике 01.04.2019. Досрочная волна. Вариант 3

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 6. Решение:

Дерево не является проводником, поэтому в первом кольце индукционный ток не возникнет, явление электромагнитной индукции наблюдаться не будет. Во втором кольце будет создаваться такой индукционный ток, чтобы получившееся магнитное поле кольца компенсировало уменьшение магнитного потока через кольцо. Созданное таким образом магнитное поле будет взаимодействовать с магнитным полем магнита и кольцо притянется к магниту.

Таким образом, верны утверждения 24.

Ответ: 24.

Источник: ЕГЭ по физике 01.04.2019. Досрочная волна. Вариант 3

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 7.

На графике показана зависимость от времени  t  силы тока  I , протекающего в катушке № 1. Все линии магнитного поля, создаваемого этой катушкой, пронизывают поперечное сечение катушки № 2. К концам обмотки катушки № 2 подключён идеальный вольтметр, который может показывать как положительные, так и отрицательные значения напряжения.

Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения, характеризующих процессы в катушке № 2 и показания вольтметра.

1) В катушке № 2 протекает постоянный электрический ток.

2) В моменты времени 15 с и 25 с вольтметр показывает напряжение разных знаков.

3) В моменты времени 5 с и 35 с вольтметр показывает одинаковое напряжение.

4) В моменты времени 20 с и 40 с показание вольтметра равно нулю.

5) В катушке № 2 электрический ток не течёт.

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 7. Решение:

1) Неверно. В первой катушке сила тока то увеличивается, то уменьшается. Следовательно, по закону электромагнитной индукции ЭДС индукции будет принимать равные по модулю, но противоположные по знаку значения. Но катушка 2 не содержит цепи.

2) Неверно. В моменты времени 15 с и 20 с ток в первой катушке убывает, потому значения ЭДС будут одинаковыми.

3) Верно. В моменты времени 5 с и 35 с ток в первой катушке возрастает, следовательно, во второй катушке ЭДС индукции будут принимать одинаковые значения.

4) Неверно. В моменты времени 20 с и 40 с ток в первой катушке изменяется. Следовательно, ЭДС индукции во второй катушке не будет равен 0.

5) Верно. Вторая катушка подключена к идеальному вольтметру, сопротивление которого бесконечно большое, поэтому ток в ней равен 0.

Ответ: 35.

Задача 8

На рисунке изображены две электрические цепи. Первая содержит последовательно соединённые источник тока (1), реостат, катушку индуктивности и амперметр, а вторая – проволочный моток, к концам которого присоединён гальванометр, изображённый на рисунке справа. Катушка и моток надеты на железный сердечник (2).

Как будут изменяться показания приборов при плавном уменьшении сопротивления реостата? Ответ поясните, указав, какие физические закономерности Вы использовали для объяснения.

Источник: ЕГЭ по физике 2017. Досрочная волна. Вариант 101

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея ,  3.4.5 Правило Ленца

Задача 8. Решение:

1. При плавном уменьшении сопротивления реостата ток в цепи будет плавно увеличиваться согласно закону Ома I =  , а значит, показания амперметра будут возрастать.

2. Увеличение силы тока в цепи приведет к увеличению потока  Ф = LI

вектора магнитной индукции через железный сердечник и как следствие приведет к возникновению небольшой ЭДС индукции   в цепи этой катушки,  которой можно пренебречь.

3. Увеличение потока вектора магнитной индукции через поперечное сечение сердечника вызовет изменение потока вектора индукции магнитного поля в проволочном мотке, соединенном с гальванометром. В соответствии с законом индукции Фарадея = - , что вызывает ток через гальванометр, вследствие чего стрелка гальванометра отклонится от начального положения.

Источник: ЕГЭ по физике 2017. Досрочная волна. Вариант 101

Раздел кодификатора ФИПИ/Решу ЕГЭ:  3.4.2 Явление электромагнитной индукции. ЭДС индукции ,  3.4.3 Закон электромагнитной индукции Фарадея ,  3.4.5 Правило Ленца