楞次定律

海因里希·楞次提出的电磁学定律

楞次定律

楞[léng]次定律（Lenz's Law）是一种确定感应电流或感应电动势方向的方法，可由法拉第定律导出。[1]楞次定律可表述为：闭合回路中感应电流的方向，总是使它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。或者表述为：感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。[2]楞次定律可分为四种类型，分别是增反减同、来拒去留、增缩减扩和自感现象。[3]楞次定律的本质是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现[4]，利用这一本质，楞次定律可以用于感应发电和加热等领域，用于制造发电机等发电设备。[5][6]

楞[léng]次定律（Lenz's Law）是一种确定感应电流或感应电动势方向的方法，可由法拉第定律导出。[2]楞次定律可表述为：闭合回路中感应电流的方向，总是使它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。或者表述为：感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。[3]

楞次定律可分为四种类型，分别是增反减同、来拒去留、增缩减扩和自感现象。[4]楞次定律的本质是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现[5]，利用这一本质，楞次定律可以用于感应发电和加热等领域，用于制造发电机等发电设备。[6][7]

该定律是由俄国物理学家海因里希·楞次(Heinrich Friedrich Lenz，1804—1865)于1834年通过分析和研究实验资料总结得出的。[1]

定义

楞次定律有两种表述方法，一是可表述为：闭合回路中感应电流的方向，总是使它所激发的磁场来阻止引起感应电流的磁通量的变化。或者表述为：感应电流的效果，总是反抗引起感应电流的原因。感应电流是指在电磁感应现象里回路中产生的电流。[3]磁通量是指通过任意曲面的磁感线数目。[8]在法拉第电磁感应定律中，即电路中感应电动势的大小，和穿过电路的磁通量的变化率成正比。其数学表达式为[9]：

i=－

其中i表示感应电动势，为磁通量，负号是楞次定律的数学表达，用来确定电动势的方向。[9]

这里的“原因”是指在固定回路中，由于磁场变化导致的磁通量变化，或者是指部分导体运动引起的磁通量变化，亦或者是两者兼而有之。也就是说，感应电流阻碍通过回路的磁通量的变化。[2]

本质

能量既不能被创造也不能被消灭，在一个封闭系统中，能量的总量总是保持不变的，这就是能量守恒定律。[10]而楞次定律的本质是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现，[5]即通过磁场的能量转化为电流的能量。根据楞次定律，感应电流的磁场是阻碍原磁场磁通量的变化的，那就必须要克服这个障碍作用而作工，也就需要消耗能量，这个消耗的能量就是感应电流能量的来源。[11]若认为感应电流方向的效果不是阻止磁棒的运动而是促进其运动，也就是和楞次定律相反，外界不做功而获得了机械能和电能，这显然与能量守恒定律相悖。[12]

增反减同

当闭合回路中原磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；当原磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。[4]

来拒去留

感应电流阻碍相对运动，原磁场靠近闭合回路 （线圈）时，感应电流的磁场要拒之；原磁场远离回路(线圈)时，感应电流的磁场要留之。[4]

增缩减扩

闭合回路中原磁通量增大时，闭合回路的面积有收缩的趋势；原磁通量减少时，闭合回路面积有扩大的趋势。[4]

自感现象

自感现象是指回路自身的原电流发生变化而引起的电磁感应现象。由于感应电流和原电流在同一电路中，因此感应电流的方向总会阻碍原电流变化[13]，即线圈中原电流增加，在线圈中自感电流的方向与原电流方向相反；反之，则相同。[4]

判断方法

运用楞次定律确定感应电流或感应电动势的方向，可采用以下步骤：[14]

（1）判断穿过闭合回路的原磁场的方向。[14]

（2）判断磁通量的变换趋势，增加还是减少。[14]

（3）判断感应电流产生的感应磁场的方向。[14]

（4）根据右手法则，由感应磁场的方向确定感应电流的方向。[14]

判断感应电流的方向
判断感应电流的方向

简史

从1822年起，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）就磁能不能产生电这个问题进行了一系列的实验研究，直到在1831年发现了电磁感应现象。[15]

1832年，俄国物理学家海因里希·楞次(Heinrich Friedrich Lenz，1804—1865)在得知法拉第发现电磁感应现象后，立即重复了法拉第等人的一系列实验，同时自己又做了许多新的实验。[16]

1833年，楞次发表了文章《论电磁感应引起的电流方向的决定》，提出了确定感应电流的方向的一般原则。也就是：“如果一个金属导体在电流或磁铁附近运动，其所产生的感应电流的方向是这样决定的，感应电流在磁场中受到的作用力与导线的运动方向相反。”[12]

1834年，楞次研究了在闭合回路中变化磁场产生的感应电流的方向，他指出：通过某一回路的磁通量的变化会在该回路中产生感应电流，这个电流将采取这样的方向—它所产生的磁场将力图使通过该回路的磁通量恢复到变化前的状态。这个结论称为楞次定律。[12]

感应发电

楞次定律被广泛应用在发电机等发电设备中。按照能量转换，当旋转的闭合线圈在磁场中切割磁感线产生的感应电流时，根据楞次定律，这时该线圈在磁场中的转动要受到一个阻碍作用，若想使线圈能在磁场中不停地匀速转动，就必须消耗其他形式的能量来反抗这个阻碍作用作功。发电机的原理是把机器供给的机械能转换成电能。[6]

发电机
发电机

感应加热

感应加热的原理是利用楞次定律，也就是磁场频率的变化导致磁通量不断地在物体中发生变化，从而在物体内部产生感应电流，感应电流进一步转化为热能，使物体表面温度升高。感应加热的设备多种多样，但基本原理都是如此。感应加热技术在金属的熔炼、焊接、表面淬cuì火等金属热处理中得到广泛的应用。[7]

感应加热设备
感应加热设备

研究意义

楞次定律揭示了电磁感应现象的物理本质，也就是磁场的变化引起电场的变化，从而诱导感应电流。它的发现将电流和磁场联系在一起，补充和完善了电磁学理论。[3]同时，楞次定律的研究为电能的转换和利用提供了指导。根据楞次定律，通过改变磁场诱导电流生成，并可把电能转换为热能，这种转换和传输的技术可广泛应用在发电设备和各种感应器中，例如感应加热、感应焊接等，这些技术的发展不仅提高了生产效率，还改善了产品质量。[6][7]

勒夏特列原理

勒夏特列原理（Le Chatelier's principle），也称平衡移动原理，是化学中的一个重要原理。该原理指出，在一个处于平衡状态的系统中，受到浓度、压强及温度等条件的影响时，化学平衡就会向能够减弱这种改变的方向移动。需要注意的是，该原理不适用于非平衡体系。[17]

参考资料 17

  1. 参考 1
  2. 参考 2
  3. 参考 3
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. 参考 9
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
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