Warto przeczytać

Regułę Lenza formułuje się najczęściej w następujący sposób:

Kierunek prądu indukcyjnego jest taki, że przeciwdziała przyczynie, która go wywołała.

Rozszyfrujmy to zdanie. Zacznijmy od przyczyny. Przyczyną płynięcia prądu indukcyjnego jest zmieniający się strumień indukcji magnetycznejstrumień indukcji magnetycznejstrumień indukcji magnetycznej $\overrightarrow{B,}$ przechodzący przez powierzchnię rozpiętą na obwodzie, w którym ma popłynąć prąd. Przeciwdziałanie przyczynie polega tu na tym, że gdy strumieństrumień indukcji magnetycznejstrumień rośnie, to pole magnetyczne wytworzone przez prąd indukcyjny ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ jest tak skierowane, żeby zmniejszyć ten strumieństrumień indukcji magnetycznejstrumień. I odwrotnie: gdy strumień maleje, to wyidukowane pole magnetyczne jest tak skierowane, żeby strumieństrumień indukcji magnetycznejstrumień wzmocnić. Symbolicznie można to przedstawić w następujący sposób:

Gdy ${\Phi }_B\uparrow$, to ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ ↑↓ $\overrightarrow{\mathrm{\text{B}}}$, symbol ↑↓ oznacza wektory antyrównoległe, skierowane przeciwnie.

Gdy ${\Phi }_B\downarrow$ , to ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ ↑↑$\overrightarrow{\mathrm{\text{B}}}$, symbol ↑↑ oznacza wektory równoległe, skierowane zgodnie.

${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ oznacza wektor indukcji pola magnetycznego wytworzonego przez prąd indukcyjny.

To, że wektor ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ musi być skierowany tak a nie inaczej, związane jest z zasadą zachowania energiizasada zachowania energiizasadą zachowania energii. Przecież, jeśli wytwarzamy prąd w obwodzie, to za każdym razem musimy dostarczyć do obwodu energię. Tak więc, podczas zmieniania strumienia indukcji magnetycznejstrumień indukcji magnetycznejstrumienia indukcji magnetycznej wykonujemy pracępracapracę, ewentualnie na energię elektryczną zamieniana jest inna forma energii w układzie – chemiczna albo kinetyczna.

Kiedy już odkryjemy, jak skierowany jest (w obrębie obwodu) wektor indukcji magnetycznej ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$, powinniśmy skojarzyć z tym wektorem prąd indukcyjny. Powinniśmy ustalić, w którą stronę powinien on płynąć, żeby zapewnić pożądany kierunek wektora ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$. W ten sposób wyznaczamy kierunek prądu indukcyjnego.

Oto najprostszy przykład, związany z typowym eksperymentem, w którym wytwarzamy prąd indukcyjny. Wsuwamy magnes sztabkowy biegunem N do wnętrza zwojnicy (Rys. 1.).

RxuNk2GFl4N0T

Rys. 1. Rysunek przedstawia magnes zbliżony do zwojnicy. Zwojnica widoczna po lewej, narysowana jest czarną kreską jako spirala pozioma. Do zwojnicy z prawej zbliżany jest magnes sztabkowy. Magnes przedstawiono w postaci poziomego prostokąta o czarnych krawędziach. Lewy biegun magnetyczny magnesu podpisano wielką literą N, a prawy wielką literą S. Magnes przesuwany jest w lewo, o czym świadczy czerwona pozioma strzałka skierowana w lewo widoczna nad magnesem. Z lewej krawędzi magnesu widoczne są linie pola magnetycznego. Skierowane są w lewo i są rozbieżne w górę i w dół. Na linii pola magnetycznego biegnącej poziomo w lewo zaznaczono wektor indukcji magnetycznej opisany wielką literą B ze strzałką oznaczającą wektor. Wektor indukcji magnetycznej zaznaczono w postaci zielonej poziomej strzałki skierowanej w lewo.

Linie pola przedstawione schematycznie na rysunku skierowane są w lewą stronę. Strumień indukcji pola magnetycznegostrumień indukcji magnetycznejStrumień indukcji pola magnetycznego obejmowanego przez obwód rośnie, wobec tego prąd w zwojnicy popłynie tak, by jego własne pole magnetyczne ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ przeciwdziałało wzrostowi strumienia (a tym samym wsuwaniu magnesu). Będzie to oznaczało, że biegun N znajdzie się po prawej stronie zwojnicy - Rys. 2. (która teraz stała się elektromagnesem). Tylko taka orientacja wyindukowanego pola magnetycznego zapewni wykonywanie pracypracapracy przez siłę zewnętrzną przysuwającą magnes do zwojnicy. Bieguny jednoimienne odpychają się, więc ręka trzymająca magnes będzie musiała pokonywać opór. Wykona wtedy dodatnią pracępracapracę. Teraz wystarczy wyznaczyć na podstawie kierunku wektora ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ wewnątrz zwojnicy kierunek prądu indukcyjnego. Posługujemy się regułą prawej rękireguła trzech palców prawej dłoni (Fleminga)regułą prawej ręki: kciuk kierujemy zgodnie z wektorem indukcji magnetycznej wewnątrz zwojnicy, wtedy pozostałe palce pokażą kierunek prądu. Na Rys. 2. uwidoczniono wektor ${\vec{B}}_{\mathrm{\text{ind}}}$ oraz kierunek prądu indukcyjnego.

Ru2uPfA9VIzQT

Rys. 2. Rysunek przedstawia magnes zbliżony do zwojnicy. Zwojnica widoczna po lewej, narysowana jest czarną kreską jako spirala pozioma. Do zwojnicy z prawej zbliżany jest magnes sztabkowy. Magnes przedstawiono w postaci poziomego prostokąta o czarnych krawędziach. Lewy biegun magnetyczny magnesu opisany jest wielką literą N, a prawy wielką literą S. Magnes przesuwany jest w lewo, o czym świadczy czerwona pozioma strzałka skierowana w lewo widoczna nad magnesem. Z lewej krawędzi magnesu widoczne są linie pola magnetycznego, skierowane w lewo i rozbieżne w górę i w dół. Wewnątrz zwojnicy zaznaczono również dwa bieguny magnetyczne. Biegun opisany wielką literą S widoczny jest z lewej, a biegun opisany wielką literą N z prawej strony. Bieguny magnetyczne wewnątrz zwojnicy zaznaczono niebieskim kolorem. Gdyby magnes wewnątrz zwojnicy przesuwano w prawo, to pole magnetyczne również skierowane byłoby w prawo. Wektor indukcji magnetycznej indukowany przesunięciem hipotetycznego magnesu wewnątrz zwojnicy zaznaczono niebieską poziomą strzałką skierowaną w prawo. Wektor ten opisano wielką literą B z indeksem dolnym małymi literami ind i strzałką oznaczającą wektor. Na zwojnicy zaznaczono hipotetyczny kierunek przepływu prądu – czarnym grotem strzałki na zwojnicy. Grot strzałki na uzwojeniu skierowany jest w dół.

Słowniczek

reguła trzech palców prawej dłoni (Fleminga)

reguła trzech palców prawej dłoni (Fleminga)

mnemotechniczna reguła pozwalająca łatwo zapamiętać wzajemne ustawienie: wektora siły elektrodynamicznej, wektora indukcji magnetycznej i kierunku prądu. Obrazuje ją następujący rysunek:

RXUslvslJ0o2I

Rysunek przedstawia prawą dłoń narysowaną czarną kreską. Kciuk dłoni skierowany jest poziomo w prawo, palec wskazujący pionowo w górę, a palec środkowy do osoby oglądającej ilustrację. Wszystkie trzy palce są prostopadłe do siebie. Kciuk wskazuje kierunek wektora siły elektrodynamicznej opisany wielką literą F ze strzałką oznaczającą wektor. Palec wskazujący definiuje kierunek wektora przepływu prądu opisany wielką literą J. Środkowy palec wskazuje kierunek wektora indukcji magnetycznej opisany wielką literą B ze strzałką oznaczającą wektor. Wzdłuż palców narysowano czarną kreską strzałki skierowane zgodnie ze zwrotem palców. Jest to reguła trzech palców prawej dłoni.