Quy tắc Lenz

47

rất nhiều: $W_{\text{кон}} - W_{\text{нач}} = A - Q$.
Nói đúng ra, các đại lượng $A$ và $Q$ có thể vừa dương vừa âm:
$A > 0$, nếu các vật thể bên ngoài hoạt động trên hệ thống và $A < 0$, nếu bản thân hệ thống hoạt động trên các vật thể bên ngoài;
$Q > 0$ nếu năng lượng cơ học được chuyển đổi thành một số dạng khác và $Q < 0$ nếu quá trình chuyển đổi từ dạng năng lượng phi cơ học sang dạng năng lượng cơ học.
Phương trình trên hóa ra cực kỳ hiệu quả đối với lời giải nhiều loại vật lý bài toán.

E. E. Gorodetsky

Quy tắc Lenz

Trong vật lý, một tình huống thường xảy ra khi có tác động từ bên ngoài lên một vật thể dẫn đến xuất hiện phản lực đối với tác động này. Hãy đưa ra ví dụ cụ thể.

Chúng ta đặt khí trong một xi lanh dẫn nhiệt, được đóng lại bằng một pít-tông nhẹ, có thể trộn tự do trong đó. Ở trạng thái cân bằng, piston sẽ đến vị trí mà tại đó áp suất khí trong xi lanh bằng áp suất bên ngoài. Bằng cách trộn piston, chúng ta giảm thể tích khí trong xi lanh. Đồng thời, áp suất khí sẽ tăng lên và điều này sẽ đóng vai trò chuyển đổi để tiếp tục trộn piston. Khi thể tích khí tăng lên, áp suất trong xi lanh sẽ giảm xuống và một lần nữa xuất hiện một lực làm cho piston chuyển động.

Đặt một ấm nước vào lửa. Do nhiệt độ đáy ấm trong hệ thống ấm - nước tăng lên, các quá trình truyền nhiệt sẽ phát sinh có xu hướng làm giảm nhiệt độ hiệu dụng - nhiệt sẽ được truyền từ ấm sang nước.

Hãy giới thiệu một dây dẫn vào lĩnh vực nhà máy điện. Dưới tác dụng của trường, các điện tích của dây dẫn được phân phối lại theo cách để loại bỏ nguyên nhân gây ra sự phân phối lại của chúng, tức là trường bên trong dây dẫn.

Chúng ta sẽ di chuyển nam châm vĩnh cửu ra khỏi bóng đèn dẫn điện. Một dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trong bóng đèn và nó sẽ bắt đầu bám vào nam châm, cố gắng tiêu diệt nguyên nhân (tháo nam châm ra khỏi bóng đèn) dẫn đến xuất hiện dòng điện.

Tất cả những ví dụ này cho thấy rằng một tác động bên ngoài, do hệ thống gây ra từ trạng thái cân bằng ổn định, sẽ kích thích các quá trình trong hệ thống nhằm tìm cách làm suy yếu kết quả của ảnh hưởng này. Đây là công thức của thị giác do nhà khoa học người Pháp Le Chatelier thiết lập vào năm 1884 và được nhà vật lý người Đức Braun hoàn thiện vào năm 1887. Thị giác này cho phép bạn dự đoán hướng nào các quá trình sẽ diễn ra trong một hệ thống mất cân bằng. Nó được sử dụng rộng rãi trong vật lý và hóa học.

Mục đích lịch sử của Le Chatelier - Braun được xây dựng dưới dạng khái quát hóa các quy tắc Lenz, trong đó nêu rõ: dòng điện cảm ứng sinh ra từ cảm ứng điện từ luôn có chiều sao cho nó cố gắng ngăn chặn nguyên nhân gây ra nó. Quy tắc này được nhà vật lý người Nga Lenz đưa ra vào năm 1833. Bản chất của các quy tắc Lenz được minh họa bằng một số ví dụ.

Ví dụ 1. Cực nam của nam châm vĩnh cửu dịch chuyển ra xa bóng đèn dẫn điện (hình 1). Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong bóng đèn. Lực tác dụng lên bình hướng về đâu?

Đối với đáp số đối với câu hỏi đầu tiên, nguyên nhân gây ra lực điện động cảm ứng trong bình được coi là do từ thông qua bình giảm đi. Theo định luật Lenz, từ trường riêng do dòng điện cảm ứng tạo ra phải được ngăn chặn khỏi sự giảm sút này. Do đó, các đường sức từ của riêng nó đi qua bình cùng hướng với các đường sức từ của nam châm vĩnh cửu, tức là về bên trái. Theo quy luật của gimlet, dòng điện cảm ứng trong bình

48

Hình 1.

Điều này được hướng theo chiều kim đồng hồ khi nhìn vào cọc bên phải.

Đối với đáp số đối với câu hỏi thứ hai, có thể coi việc tăng khoảng cách giữa nam châm và chiếc cọc là nguyên nhân gây ra lực điện động cảm ứng. Sau đó, theo quy tắc của Lenz, một phản lực đối với prinina này sẽ xuất hiện, tức là, một lực hấp dẫn sẽ xuất hiện giữa chiếc cọc và nam châm, tác dụng lên chiếc cọc ở bên trái.

Ví dụ 2. Dải phía nam của nam châm được cắt ra khỏi vòng dẫn điện bằng một vết cắt. Có thể nói gì về dòng điện cảm ứng trong vòng và lực tác dụng lên cọc trong trường hợp này?

Do đó, trước khi trả lời những câu hỏi này, công thức nêu trên của quy tắc Lenz nêu rõ rằng dòng điện cảm ứng luôn có hướng nhằm cố gắng thu hút hoàng tử xuất hiện của nó, chứ không nói rằng lực hút (phản ứng) này nhất thiết sẽ thu hút. Phản lực của hoàng tử, gây ra emf cảm ứng, xuất hiện và chỉ có thể được phát hiện khi có cơ hội cho dòng điện cảm ứng chạy qua. Khả năng này được hiện thực hóa, ví dụ, nếu mục tiêu trong đó xảy ra suất điện động cảm ứng bị đóng lại. Và điện trở của mạch này càng thấp thì dòng điện chạy qua nó càng nhiều và sự phản đối của hoàng tử sẽ càng bị thu hút mạnh mẽ hơn.

Rõ ràng là trong một vòng bị cắt, lực điện cảm ứng không thể tạo ra dòng điện và sẽ không có lực nào tác dụng lên vòng.

Ví dụ 3. Một thí nghiệm về khoảng cách thể hiện một cách hiệu quả quy tắc Lenz (hình 2). Một nam châm lơ lửng giữa một nam châm điện,

Hình 2.

phần dưới chỉ tượng trưng cho một tấm đồng và nâng nó lên khỏi vị trí cân bằng. Bạn sẽ làm gì tiếp theo với nam châm?

Khi một nam châm như vậy di chuyển, dòng điện cảm ứng đóng sẽ xuất hiện trong tấm đồng (đường màu đỏ trên hình 2), hướng của dòng điện này sẽ thay đổi. Theo quy tắc Lenz, sự tương tác của các dòng điện này với từ trường bên ngoài sẽ thu hút hoàng tử, gây ra dòng điện, tức là chuyển động của nam châm. Như vậy, sự rung động của nam châm sẽ mờ dần, giống như sự rung động trong một cuộc đời vô cùng quan trọng.

Dòng điện cảm ứng kín phát sinh trong các vật dẫn rắn chuyển động trong từ trường hoặc đặt trong từ trường biến thiên được gọi là dòng điện ra, hay dòng điện Foucault - theo tên của nhà khoa học người Pháp đã phát hiện ra chúng. Tùy thuộc vào điều kiện, dòng điện xoáy có thể có hại hoặc có lợi.

Dòng điện foucault trong lõi máy biến áp và các bộ phận quay của máy phát điện, động cơ điện gây ra sự nóng lên và lãng phí năng lượng không cần thiết. Để làm suy yếu dòng điện đầu ra, các bộ phận như vậy được làm bằng các tấm thép mỏng, ngăn cách bởi các lớp điện môi mỏng sao cho các lớp cách điện cắt nhau khả năng của dòng điện đầu ra.

Một ví dụ về việc sử dụng dòng điện Foucault một cách hữu ích là trong lò cảm ứng để nấu chảy kim loại hoặc nấu thức ăn nhanh. Nguyên lý hoạt động của lò nung cảm ứng là thân dẫn điện (kim loại)