楞次定律
2楞次定律(Lenz law)是一条用于判断感应电流方向的电磁学定律,是电磁领域的惯性定律1,由俄国物理学家海因里希·楞次于1834年发现2。
该定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现,具体表述为感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化;还可表述为:感应电流所产生的效果总要反抗产生感应电流的原因;也可简单总结为“增反减同,来拒去留”。其研究对象是闭合电路3。
楞次定律与右手定则是一般与特殊的关系。一切电磁感应现象都符合楞次定律,而右手定则只适用于单纯由于部分导体做切割磁感线所产生的电磁感应现象3。
基本信息
- 中文名
楞次定律
- 外文名
Lenz law
- 提出者
海因里希·楞次
- 提出时间
1834年
- 应用学科
物理学
- 适用领域范围
电磁学4
- 口诀
增反减同、来拒去留
- 公式
E = vBL(v为杆在磁场中移动的速度)
基础定义
基本简介
1834年,物理学家海因里希·楞次(H.F.E.Lenz,1804-1865)在概括了大量实验事实的基础上,总结出一条判断感应电流方向的规律,称为楞次定律( Lenz law ),简单的说就是来拒去留,就是楞次定律的主要内容。
物理表述
楞次定律可概括表述为:
感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。
相关术语
与能量守恒定律的关系
只有保守力遵守能量守恒定律。在电磁学里,楞次定律将能量守恒定律延伸至涉及非保守力的案例。假设,沿着环圈的中心轴,一个磁铁往这环圈以等速度移动,准备穿过环圈。由于这动作,磁通量会改变,会有感应电流产生于环圈。感应电流的方向要看到底是磁铁的指北极还是指南极领导朝着环圈移动而决定。假若是指北极,则从磁铁往环圈看,感应电流会呈逆时针方向。根据安培定律,感应电流所产生的磁场跟磁铁的磁场反方向。这会使磁场减弱,因而对磁铁产生排斥力,使得磁铁往环圈方向移动的速度变慢。因此这现象所涉及的作用力是非保守力。
以方程表达,在静电学里,电场的回路积分等于零。
所以,电场是保守场,电场力是保守力。
在电磁学里,根据法拉第电磁感应定律,电场的回路积分等于通过回路的磁通量。
所以,电场不是保守场,电场力不是保守力。
为了要了解这现象对于能量守恒定律的意义,假设感应电流的方向与前面所叙述的方向恰好相反。那么,对于指北极面对环圈的磁铁,假若磁铁往环圈方向以等速度移动,则通过环圈的磁通量会增加,环圈的感应电流不是呈逆时针方向,而是呈顺时针方向。根据安培定律,感应电流所产生的磁场跟磁铁的磁场同方向。这会使磁场加强,因而对磁铁产生吸引力,吸引磁铁更快的往环圈方向移动。这样,除了原先磁铁的动能以外,没有任何其它输入能量,而磁铁的动能会自动地增加,违反了能量守恒定律。
影响意义
楞次定律可以有不同的表述方式,但各种表述的实质相同,楞次定律的实质是:产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律,如果感应电流的方向违背楞次定律规定的原则,那么永动机就是可以制成的。下面分别就三种情况进行说明:(1)如果感应电流在回路中产生的磁通量加强引起感应电流的原磁通变化,那么,一经出现感应电流,引起感应电流的磁通变化将得到加强,于是感应电流进一步增加,磁通变化也进一步加强……感应电流在如此循环过程中不断增加直至无限。这样,便可从最初磁通微小的变化中(并在这种变化停止以后)得到无限大的感应电流。这显然是违反能量守恒定律的。楞次定律指出这是不可能的,感应电流的磁通必须反抗引起它的磁通变化,感应电流具有的以及消耗的能量,必须从引起磁通变化的外界获取。要在回路中维持一定的感应电流,外界必须消耗一定的能量。如果磁通的变化是由外磁场的变化引起的,那么,要抵消从无到有地建立感应电流的过程中感应电流在回路中的磁通,以保持回路中有一定的磁通变化率,产生外磁场的励磁电流就必须不断增加与之相应的能量,这只能从外界不断地补充。
(2)如果由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的感应电流在磁场中受的力(安培力)的方向与运动方向相同,那么,感应电流受的磁场力就会加快导体切割磁感线的运动,从而又增大感应电流。如此循环,导体的运动将不断加速,动能不断增大,电流的能量和在电路中损耗的焦耳热都不断增大,却不需外界做功,这显然是违背能量守恒定律的。楞次定律指出这是不可能的,感应电流受的安培力必须阻碍导体的运动,因此要维持导体以一定速度作切割磁感线运动,在回路中产生一定的感应电流,外界必然反抗作用于感应电流的安培力做功。