Проволочный контур быстро сближают с магнитом — опишите, как меняется направление индукционного тока и какие силы действуют на контур, поясните проявление закона Ленца и энергообмен в системе
Ниже — сжатое объяснение для типичного случая: северный полюс магнита направлен к контуру (т.е. при приближении магнитный поток через контур возрастает „внутрь страницы“). 1) Закон Фарадея и направление тока E=−dΦdt,Φ=∫B⋅dA.\mathcal{E}=-\frac{d\Phi}{dt},\qquad \Phi=\int \mathbf{B}\cdot d\mathbf{A}.E=−dtdΦ,Φ=∫B⋅dA. При быстром сближении dΦdt>0\frac{d\Phi}{dt}>0dtdΦ>0 (поток в сторону магнита растёт), поэтому появляющаяся ЭДС стремится уменьшить изменение потока. По правилу Ленца индуцированное магнитное поле контура направлено противоположно увеличивающемуся потоку (т.е. от контура — «наружу страницы»). По правилу правой руки это соответствует индукционному току против часовой стрелки (если смотреть со стороны магнита). 2) Силы на контур На элемент тока действует сила Лоренца dF=I dl×B.d\mathbf{F}=I\,d\mathbf{l}\times\mathbf{B}.dF=Idl×B. Суммарная результирующая сила направлена так, чтобы препятствовать движению (в данном случае — отталкивает контур от магнита). Чем больше скорость сближения, тем больше ∣dΦ/dt∣|d\Phi/dt|∣dΦ/dt∣, тем больше ∣E∣|\mathcal{E}|∣E∣ и III, и тем сильнее сила, противящая движению. 3) Проявление закона Ленца и энергообмен Ленц: индуцированный ток всегда пытается воспрепятствовать причине изменения потока — это выражено знаком «−» в законе Фарадея. Энергетически это означает: механическая работа по преодолению магнитной силы переходит в электромагнитную энергию и/или в тепло. Для обычного сопротивляющегося контура I=ER,Pтепло=I2R=EI.\ I=\frac{\mathcal{E}}{R},\qquad P_{\text{тепло}}=I^2R=\mathcal{E}I.I=RE,Pтепло=I2R=EI. Баланс мощности при установившемся движении: мощность, которую вы затрачиваете, FvFvFv, идёт в джоулево тепло, т.е. Fv=I2R.Fv=I^2R.Fv=I2R. В идеальном сверхпроводящем контуре рассеяние отсутствует: индуцированный ток сохраняется, работа по продвижению аккумулируется в магнитной энергии тока контура U=12LI2.U=\tfrac12 L I^2.U=21LI2. Коротко: при приближении магнита поток через контур растёт → индуцируется ток, создающий поле, которое противодействует росту потока (Lenz) → на контур действует сила, препятствующая движению (отталкивание в приведённом примере) → механическая работа превращается в тепло или в запасённую магнитную энергию.
1) Закон Фарадея и направление тока
E=−dΦdt,Φ=∫B⋅dA.\mathcal{E}=-\frac{d\Phi}{dt},\qquad \Phi=\int \mathbf{B}\cdot d\mathbf{A}.E=−dtdΦ ,Φ=∫B⋅dA.
При быстром сближении dΦdt>0\frac{d\Phi}{dt}>0dtdΦ >0 (поток в сторону магнита растёт), поэтому появляющаяся ЭДС стремится уменьшить изменение потока. По правилу Ленца индуцированное магнитное поле контура направлено противоположно увеличивающемуся потоку (т.е. от контура — «наружу страницы»). По правилу правой руки это соответствует индукционному току против часовой стрелки (если смотреть со стороны магнита).
2) Силы на контур
На элемент тока действует сила Лоренца
dF=I dl×B.d\mathbf{F}=I\,d\mathbf{l}\times\mathbf{B}.dF=Idl×B.
Суммарная результирующая сила направлена так, чтобы препятствовать движению (в данном случае — отталкивает контур от магнита). Чем больше скорость сближения, тем больше ∣dΦ/dt∣|d\Phi/dt|∣dΦ/dt∣, тем больше ∣E∣|\mathcal{E}|∣E∣ и III, и тем сильнее сила, противящая движению.
3) Проявление закона Ленца и энергообмен
Ленц: индуцированный ток всегда пытается воспрепятствовать причине изменения потока — это выражено знаком «−» в законе Фарадея. Энергетически это означает: механическая работа по преодолению магнитной силы переходит в электромагнитную энергию и/или в тепло. Для обычного сопротивляющегося контура
I=ER,Pтепло=I2R=EI.\ I=\frac{\mathcal{E}}{R},\qquad P_{\text{тепло}}=I^2R=\mathcal{E}I. I=RE ,Pтепло =I2R=EI.
Баланс мощности при установившемся движении: мощность, которую вы затрачиваете, FvFvFv, идёт в джоулево тепло, т.е.
Fv=I2R.Fv=I^2R.Fv=I2R.
В идеальном сверхпроводящем контуре рассеяние отсутствует: индуцированный ток сохраняется, работа по продвижению аккумулируется в магнитной энергии тока контура
U=12LI2.U=\tfrac12 L I^2.U=21 LI2.
Коротко: при приближении магнита поток через контур растёт → индуцируется ток, создающий поле, которое противодействует росту потока (Lenz) → на контур действует сила, препятствующая движению (отталкивание в приведённом примере) → механическая работа превращается в тепло или в запасённую магнитную энергию.