Kvant. Правило Ленца
Чивилев В. И. Правило Ленца //Квант. — 1988. — № 5. — С. 47-49.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
В физике часто встречается ситуация, когда внешнее воздействие на какой- либо объект приводит к появлению противодействия этому воздействию. Приведем конкретные примеры.
Заключим газ в теплоизолированный цилиндр, закрытый легким поршнем, который может в нем свободно перемещаться. В равновесии поршень займет такое положение, при котором давление газа в цилиндре равно внешнему давлению. Смещая поршень, уменьшим объем газа в цилиндре. Давление газа при этом возрастет, и это будет служить препятствием для дальнейшего Смещения поршня. При увеличении же объема газа давление в цилиндре упадет, и опять появятся силы, препятствующие перемещению поршня.
Поставим чайник с водой на огонь. В результате повышения температуры дна чайника в системе чайник — вода возникнут такие процессы теплопередачи, которые стремятся уменьшить эффект увеличения температуры — от чайника к воде будет передаваться тепло.
Внесем проводник в электростатическое поле. Под действием поля заряды проводника перераспределятся таким образом, чтобы уничтожить причину, вызвавшую их перераспределение, т. е. поле внутри проводника.
Будем выдвигать постоянный магнит из проводящего кольца. В кольце появится индукционный ток, и оно станет притягиваться к магниту, стремясь уничтожить причину (удаление магнита от кольца), приведшую к возникновению тока.
Все эти примеры наводят на мысль, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния устойчивого равновесия, стимулирует в енететяе процессы, стремящиеся ослабить результат этого воздействия. Так формулируется принцип, установленный французским ученым Ле Шателье в 1884 году и уточненный немецким физиком Брауном в 1887 году. Этот принцип позволяет предвидеть, в каком направлении будут протекать процессы в системе, выведенной из равновесия. Он широко используется в физике и химии.
Исторически принцип Ле Шателье — Брауна был сформулирован как обобщение правила Ленца, которое гласит: индукционный ток, возникающий в результате электромагнитной индукции, всегда направлен так, чтобы пытаться препятствовать причине, его вызвавшей. Это правило сформулировал русский физик Ленц в 1833 году. Суть правила Ленца проиллюстрируем на нескольких примерах.
Пример 1. Южный полюс постоянного магнита удаляется от проводящего кольца (рис. 1). Определите направление индукционного тока в кольце. Куда направлена сила, действующая на кольцо?
Для ответа на первый вопрос удобно за причину, вызывающую ЭДС индукции в кольце, взять уменьшение магнитного потока через кольцо. Согласно правилу Ленца, собственное магнитное поле, созданное индукционным током, должно препятствовать этому уменьшению. Поэтому магнитные линии собственного поля идут через кольцо в том же направлении, что и магнитные линии поля постоянного магнита, т. е. влево. По правилу буравчика индукционный ток в кольце направлен по часовой стрелке, если смотреть на кольцо справа.
Для ответа на второй вопрос причиной, вызывающей ЭДС индукции, удобно считать увеличение расстояния между магнитом и кольцом. Тогда, в соответствии с правилом Ленца, появится противодействие этой причине, т. е. между кольцом и магнитом возникнет сила притяжения, действующая на кольцо влево.
Пример 2. Южный полюс магнита удаляется от проводящего кольца с разрезом. Что можно сказать об индукционном токе в кольце и силе, действующей на кольцо, в этом случае?
Прежде чем ответить на эти вопросы, заметим, что в приведенной выше формулировке правила Ленца говорится о том, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы пытаться препятствовать причине своего появления, и не говорится о том, что это препятствие (противодействие) обязательно проявится. Противодействие Причине, вызывающей ЭДС индукции, Проявляется и может быть обнаруже- ио только в том случае, когда есть возможность для протекания индукционного тока. Эта возможность реализуется, например, если цепь, в которой возникает ЭДС индукции, замкнута. И чем меньше сопротивление этой цепи, тем больший ток пойдет по ней и тем сильнее проявится противодействие причине, его вызвавшей.
Ясно, что в кольце с разрезом ЭДС индукции тока создать не может и никакая сила на кольцо действовать не будет.
Пример 3. Рассмотрим опыт, эффектно демонстрирующий правило Ленца (рис. 2). Подвесим между полюсами электромагнита маятник, нижняя часть которого представляет толстую медную пластинку, и выведем его из положения равновесия. Что будет происходить с маятником дальше?
При движении такого маятника в медной пластинке появятся замкнутые индукционные токи (красные линии на рисунке 2), направление которых будет меняться. Согласно правилу Ленца, взаимодействие этих токов с внешним магнитным полем должно препятствовать причине, вызывающей токи, т. е. движению маятника. Таким образом, колебания маятника будут затухать, подобно колебаниям в очень вязкой жидкости.
Замкнутые индукционные токи, возникающие в сплошных проводящих телах, движущихся в магнитных полях или помещенных в изменяющиеся магнитные поля, называются вихревыми токами, или токами Фуко — по имени открывшего их французского ученого. В зависимости от условий вихревые токи могут быть как вредными, так и полезными.
Токи Фуко в сердечниках трансформаторов и вращающихся частях электрических генераторов и двигателей вызывают бесполезное нагревание и приводят к потерям энергии. Для ослабления вихревых токов такие детали изготовляют из тонких листов стали, разделенных тончайшими слоями диэлектрика так, чтобы изолирующие прослойки пересекали возможные линии протекания вихревых токов.
Примером полезного использования токов Фуко служит индукционная печь для плавки металла или быстрого приготовления пищи. Принцип действия индукционной печи состоит в том, что проводящее тело (металл или пища) помещается внутрь катушки, по которой пропускается переменный ток высокой частоты. Возникающее внутри катушки переменное магнитное поле вызывает появление токов Фуко в проводящем теле и его разогрев.
