第二節 楞次定律
楞次定律


上一節,我們認識了感生電動勢大小的影響因素和增強方法;接着要瞭解的,就是電動勢正負的取向,亦即感生電流於閉路中的方向。本課餘下部分會介紹兩種用來決定感生電流方向的方法,第一種方法乃運用楞次定律 (Lenz's law)。

考慮上一節的實驗 2(即)。當磁鐵被推入或拉出線圈時,便有感生電流產生。針對本情境,欲藉楞次定律找出感生電流方向,思路的流程如下:

  • 遠處的磁鐵若要 移向 線圈,線圈為對抗磁鐵靠近、排斥 磁鐵上較接近的該面磁極;於線圈較接近磁鐵的一方,會形成與磁鐵該面 相同 的磁極;
  • 線圈裡磁鐵若要 移離 線圈,線圈為抗衡磁鐵離開、吸引 磁鐵上較接近的該面磁極;故線圈需於較近磁鐵的一方,形成與磁鐵該面 相反 的磁極。

換言之,在ii 和iv:

      磁鐵移向線圈時(ii),於線圈較接近磁鐵的一方需為
  • 南極
  • 北極

      磁鐵移離線圈時(iv),於線圈較接近磁鐵的一方需為
  • 南極
  • 北極

這表明當磁鐵移向線圈(ii)或移離線圈(iv)時,為反抗通過線圈的外磁場所起變化,於線圈上會激發出一個感應磁場。

找出了線圈上的磁極後,電流在線圈流動的方向可藉右手握拳定則來決定。


【小結】
在剛才例子,當磁鐵趨近或遠離線圈時,線圈就會被誘發一股感生電流、再於電路中以熱形式散失,過程中必須分別克服排斥力和吸引力。換言之,磁鐵移向/移離線圈時必須有外力對磁鐵作功,正是這個機械功轉化為感生電流再釋放熱,所以楞次定律也是能量守恆的體現。楞次定律的內容可總結為:

楞次定律:感生電流方向,總是使得其 激發效應來源變化 相抗衡。

在本例子,"激發效應" 就是線圈上因抗衡而激發的磁場;"來源變化" 則指來自磁鐵的磁場於通過線圈的變化,亦可理解為引起磁場變化的相對運動


啟動動畫,演示楞次定律,留意過程中線圈上的磁極(每按一次播放,磁鐵便演示一次進入/拉出線圈)。您也可在觀看磁鐵於不同運動狀態下,如何應用楞次定律的說明。
i 磁鐵在線圈外遠處時,沒產生電流;ii 磁鐵正在進入線圈內部時,磁鐵上較近線圈的磁極是 \(\text{N}\),故線圈於接近磁鐵的一方產生 \(\text{N}\) 極,以排斥欲進入的磁鐵,感生電流的方向可用右手握拳定則找出;iii 磁鐵已進入線圈內部後,沒感生電流產生;iv 磁鐵正從線圈內部被拉出時,磁鐵上較近線圈的磁極是 \(\text{N}\),故線圈於接近磁鐵的一方產生 \(\text{S}\) 極,以吸引欲離開的磁鐵以抗衡其運動,而藉右手握拳定則可知,感生電流的方向跟進入線圈時的相反。(按 ">" 往下一頁)
其他例子


楞次定律也可應用於第一節裡的實驗 1,來理解感生電流的方向:

【導線向上移】
,連接電流計的導線於磁鐵間正向上移,切過固定、方向呈水平的勻磁場。根據楞次定律,感生電流會使得其激發效應要抗衡來源變化。因為外力把導線推向上(來源變化),便產生一個指向下的磁力(激發效應)抗衡。由磁力和磁場的方向,根據弗林明左手定則,可找出電流的方向如中示。


【導線向下移】
,連接電流計的導線於磁鐵間正向下移,切過固定、方向呈水平的勻磁場。根據楞次定律,感生電流會使得其激發效應要抗衡來源變化。因為外力把導線推向下(來源變化),便產生一個指向上的磁力(激發效應)抗衡。由磁力和磁場的方向,根據弗林明左手定則,可找出電流的方向如中示。


當導線被移向上、切過磁鐵間的磁場,形成一指向下的磁力抗衡導線的運動。
當導線被移向下、切過磁鐵間的磁場,形成一指向上的磁力抗衡導線的運動。
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