楞次定律告诉你如何判断感应电流的方向。如果穿过回路的磁通量发生变化,感应电流产生的磁场就会阻碍这种变化。如果电路是开路的,仍然会有感应电动势,但不会有持续的电流流动。
这里的关键词是变化。感应电流并不是简单地反抗外部磁场,而是反抗穿过回路的磁通量的增加或减少。
用一个公式理解楞次定律
法拉第定律和楞次定律通常一起写成
对于有 匝的线圈,理想形式为
负号对应的就是楞次定律。它编码了方向信息:感应电动势会驱动一个电流,而这个电流的磁效应会阻碍磁通量的变化。
这条定律真正表达的意思
磁通量表示有多少磁场穿过回路。如果磁通量发生变化,就会产生感应电动势。如果回路是闭合导体,这个电动势就可以驱动电流。
楞次定律告诉你这个电流该往哪个方向流。如果穿过回路的外部磁通量沿某一方向增加,感应电流就会产生一个反方向的磁场。如果外部磁通量在减小,感应电流就会产生一个与原来磁通方向相同的磁场,以阻止这种减小。
这就是为什么这条规则强调的是阻碍变化,而不是阻碍磁场本身。
例题:磁铁靠近导线环
假设一根条形磁铁的北极沿直线朝一个导电圆环靠近。从磁铁这一侧观察这个圆环。
随着磁铁越来越近,穿过圆环的磁通量增大。根据楞次定律,圆环必须产生它自己的磁场来阻碍这种增加。
这意味着圆环靠近磁铁的一面必须表现得像北极。这样会产生排斥作用,从而阻碍不断增大的磁通量。
利用电流环的右手定则可知,从磁铁这一侧看,感应电流方向是逆时针。
如果同一块磁铁改为远离圆环运动,那么该方向上的磁通量就会减小。感应电流会反向,使圆环试图维持原来的磁通方向。在这种情况下,从磁铁这一侧看,电流方向是顺时针。
如何一步步判断方向
当方向题看起来很乱时,可以按下面的顺序来:
- 先选定穿过回路的磁通量正方向。
- 判断该方向上的外部磁通量是在增加还是在减少。
- 用楞次定律确定感应磁场的方向,使它阻碍这种磁通变化。
- 用右手定则把感应磁场方向转换成电流方向。
这种方法通常比凭记忆直接猜答案更稳妥。
楞次定律中的常见错误
- 说感应电流阻碍磁场。更稳妥的说法是:它阻碍磁通量的变化。
- 跳过磁通量这一步,直接根据运动去猜电流方向。
- 忘记了只有存在闭合导电回路时才会有持续电流,尽管仍然可能产生感应电动势。
- 把判断磁场方向的右手定则和判断运动电荷受力方向的右手定则混淆。
- 把楞次定律看成与法拉第定律分开的内容。实际上,它就是法拉第定律中的方向部分。
楞次定律出现在哪里
楞次定律会出现在发电机、变压器、电感器、涡流制动、电磁炉,以及许多基础电磁学题目中。
它也让电磁感应问题在物理上保持一致。如果没有能量来源,感应效应不可能去加强磁通量的变化,因此楞次定律中的符号非常重要。
试试一个类似情形
你可以把上面的例子反过来自己做一遍:保持同样的圆环和磁铁,但让磁铁远离圆环运动。先判断磁通量是在增加还是减少,再在使用右手定则核对之前,先预测电流方向。