题目

如何利用楞次定律

提问时间：2020-07-26

答案

楞次定律
它的公式是：
(如图所示)
其中 E 是电感,N 是线圈圈数,Φ 是磁通量[1].
楞次定律（Lenz law）是一条电磁学的定律,从电磁感应得出感应电动势的方向.其可确定由电磁感应而产生之电动势的方向.它是由俄国物理学家海因里希·楞次在1834年发现的.楞次（Heinrich Friedrich Lenz）定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现.楞次定律还可表述为：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因.
感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.
注意：“阻碍”不是“相反”,原磁通量增大时方向相反,原磁通量减小时方向相同；“阻碍”也不是阻止,电路中的磁通量还是变化的.
1833年, 楞次 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 ).
楞次定律可表述为 ：
闭合回路中感应电流的方向,总是使得它所激发的磁场来阻碍引起感应电流的磁通量的变化．
楞次定律也可简练地表述为 ：
感应电流的效果,总是阻碍引起感应电流的原因.
一、难点分析
1. 从静到动的一个飞跃
学习“楞次定律”之前所学的“电场”和“磁场”只是局限于“静态场”考虑,而“楞次定律”所涉及的是变化的磁场与感应电流的磁场之间的相互关系,是一种“动态场”,并且“静到动”是一个大的飞跃,所以学生理解起来要困难一些.
2. 内容、关系的复杂性
“楞次定律”涉及的物理量多,关系复杂.产生感应电流的原磁场与感应电流的磁场两者都处于同一线圈中,且感应电流的磁场总要阻碍原磁场的变化,它们之间既相互依赖又相互排斥.如果不明确指出各物理量之间的关系,使学生有一个清晰的思路,势必造成学生思路混乱,影响学生对该定律的理解.
3. 学生知识、能力的不足
要能理解“楞次定律”必须具备一定的思维能力,而大多数学生抽象思维和空间想象能力还不是很强,对物理知识的理解、判断、分析、推理常常表现出一定的主观性、片面性和表面性,所以在某些问题的理解上容易出差错.
二、突破难点的方法
1. 正确理解“楞次定律”的内容及“阻碍”的含义
（1）“楞次定律”的内容：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.
（2）对“阻碍”二字的理要正确全面地理解“楞次定律”必须从“阻碍”二字上下功夫,这里起阻碍作用的是“感应电流的磁场”,它阻碍“原磁通量的变化”,不是阻碍原磁场,也不是阻碍原磁通量.不能认为“感应电流的磁场必然与原磁场方向相反”或“感应电流的方向必然和原来电流的流向相反”.所以“楞次定律”可理解为：当穿过闭合回路的磁通量增加时,感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相反；当穿过闭合回路的磁通量减小时,感应电流的磁场方向总是与原磁场方向相同.另外“阻碍”不能理解为“阻止”,应认识到,原磁场是主动的,感应电流的磁场是被动的,原磁通量仍然要发生变化,阻止不了,而感应电流的磁场只是起阻碍作用而已.感应电流的磁场的存在只是削弱了穿过电路的总磁通量 变化的快慢,而不会改变 的变化特征和方向.例如：当增大感应电流的磁场时, 原磁场也将在原方向上一直增大,只是增大得比没有感应电流的磁场时慢一点而已.如果磁通量变化被阻止,则感应电流就不会继续产生.无感应电流,就更谈不上“阻止”了.
2. 掌握应用“楞次定律”判定感应电流方向的步骤
（1）明确原磁场的方向及磁通量的变化情况（增加或减少）.
（2）确定感应电流的磁场方向,依“增反减同”确定.
（3）用安培定则确定感应电流的方向.
3. 弄清最基本的因果关系
“楞次定律”所揭示的这一因果关系可用图1（图1在哪我也不知道）表示.感应磁场与原磁场磁通量变化之间阻碍与被阻碍的关系：原磁场磁通量的变化是因,感应电流的产生是果,原因引起结果,结果又反作用于原因,二者在其发展过程中相互作用,互为因果.
4. 正确认识“楞次定律”与能量转化的关系
“楞次定律”是能量转化和守恒定律在电磁运动中的体现,感应电流的磁场阻碍引起感应电流的原磁场的磁通量的变化,因此,为了维持原磁场磁通量的变化,就必须有动力作用,这种动力克服感应电流的磁场的阻碍作用做功,将其他形式的能转变为感应电流的电能,所以“楞次定律”中的阻碍过程,实质上就是能量转化的过程.
5. 多角度理解“楞次定律”
（1）从反抗效果的角度来理感应电流的效果,总是要反抗产生感应电流的原因,这是“楞次定律”的另一种表述.依这一表述,“楞次定律”可推广为：
①阻碍原磁通量的变化.
②阻碍（导体的）相对运动（由导体相对磁场运动引起感应电流的情况）.可以理解为“来者拒,去者留”.
6.与之相关的解题方法
电流元法：在整个导体上去几段电流元,判断电流元受力情况,从而判断道题受力情况
等效磁体法：将导体等效为一个条形磁铁,进而作出判断
躲闪法：“增反减同”的方法确定.
阻碍相对运动法：产生的感应电流总是阻碍导体相对运动.
1．楞次定律的表述及特点
楞次定律的表述可归结为：“感应电流的效果总是反抗引起它的原因．”
如果回路上的感应电流是由穿过该回路的磁通的变化引起的,那么楞次定律可具休表述为：“感应电流在回路中产生的磁通总是反抗（或阻碍）原磁通的变化．”我们称这个表述为通量表述,这里感应电流的“效果”是在回路中产生了磁通；而产生感应电流的原因则是“原磁通的变化”．
如果感应电流是由组成回路的导体作切割磁感线运动而产生的,那么楞次定律可具体表述为：“运动导体上的感应电流受的磁场力（安培力）总是反抗（或阻碍）导体的运动．”我们不妨称这个表述为力表述,这里感应电流的“效果”是受到磁场力；而产生感应电流的“原因”是导体作切割磁感线的运动．
从楞次定律的上述表述可见,楞次定律并没有直接指出感应电流的方向,它只是概括了确定感应电流方向的原则,给出了确定感应电流的程序．要真正掌握它,必须要求对表述的涵义有正确的理解,并熟练掌握电流的磁场及电流在磁场中受力的规律．
以“通量表述”为例,要点是感应电流的磁通反抗引起感应电流的原磁通的变化,而不是反抗原磁通．如果原磁通是增加的,那么感应电流的磁通要反抗原磁通的增加,就一定与原磁通的方向相反；如果原磁通减少,那么感应电流的磁通要反抗原磁通的减少,就一定与原磁通的方向相同．在正确领会定律的上述涵义以后,就可按以下程序应用楞次定律判断感应电流的方向：a.穿过回路的原磁通的方向,以及它是增加还是减少；b.根据楞次定律表述的上述涵义确定回路中感应电流在该回路中产生的磁通的方向；c.根据回路电流在回路内部产生磁场的方向的规律（右手螺旋法则）,由感应电流的磁通的方向确定感应电流的方向．
以力表述为例,其要点是感应电流在磁场中受的安培力的方向,总是与导体运动的方向成钝角,从而阻碍导体的运动．因此应用它来确定感应电流的程序是：a.明确磁场B 的方向和导体运动的方向；b.根据楞次定律的上述涵意明确感应电流受安培力的方向；c.根据安培力的规律确定感应电流的方向．
可见正确掌握楞次定律并能应用,不仅要求准确理解其涵义,还必须掌握好电流的磁场和电流在磁场中受力（安培力）的规律．
在楞次于1834年发表楞次定律时无磁通这一概念（磁通概念是法拉第于1846年才提出来的）,因此定律不可能具有现在的表述形式．楞次是在综合法拉第电磁感应原理（发电机原理）和安培力原理的基础上,以“电动机发电机原理”的形式提出这个定律的．其基本思想是：用电动机原理代替发电机原理来确定感应电流的方向,即：导线回路在磁场中运动时,产生感应电流（即发电机的电流）的方向,与通电导体回路在磁场力作用下作相同运动时、应通过的电流（电动机电流）的方向相反．以两个端面互相平行的线圈为例,使A 线圈固定,B 线圈可移动．若令A线圈通以电流,让B线圈向A运动,则B线圈上将产生感应电流．用“电动机发电机原理”判断此感应电流的方向的程序如下：假定B作为电动机线圈,通电后受A线圈电流磁场的作用力而向着A运动（电动机）,根据安培力规律（或电动机原理）,要求B线圈的电流应与A线圈的电流有相同的绕行方向．于是根据楞次的“电动机发电机原理”所求B线圈上的感应电流的绕行方向与A线圈上电流的绕行方向相反．
楞次本人对定律的叙述似乎直接涉及到感应电流的方向．但要作出判断仍然必须通过“对作相同运动的电动机的电流”方向作出判断之后,才能确定由导线在磁场中运动产生的感应电流的方向,故实际上仍然只是给出了确定感应电流方向的原则,必须在对电动机原理有充分掌握的基础上,按一定的程序确定感应电流的方向．
2．楞次定律的实质
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．
（3）如果发电机转子绕组上的感应电流的方向,与作同样转动的电动机转子绕组上的电流方向相同,那么发电机转子绕组一经转动,产生的感应电流立即成了电动机电流,绕组将加速转动,结果感应电流进一步加强,转动进一步加速．如此循环,这个机器既是发电机,可输出越来越大的电能,又是电动机,可以对外做功,而不花任何代价（除使转子最初的一动而外）,这显然是破坏能量守恒定律的永动机．楞次定律指出这是不可能的,发电机转子上的感应电流的方向应与转子作同样运动的电机电流的方向相反．
综上所述,楞次定律的任何表述,都是与能量守恒定律相一致的．概括各种表述“感应电流的效果总是反抗产生感应电流的原因”,其实质就是产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律．