HSC 物理楞次定律:判斷感應電流方向
學習如何利用楞次定律,根據磁通量的變化判斷感應電流方向,並透過例題和具挑戰性的 HSC 題型鞏固理解。
把條形磁鐵的北極移向一個導電線圈。雖然沒有連接電池,卻會出現電流。把磁鐵拉遠,電流方向便會反轉。
在繼續之前,先作一個很有用的判斷:假設穿過線圈的磁場指向紙面內,而且正在變弱。線圈應該產生指向紙面外的磁場來「反抗磁鐵」,還是產生指向紙面內的磁場,以補回正在消失的磁通量?
它會產生指向紙面內的磁場。
這就是楞次定律的核心概念。感應效應所反抗的是磁通量的變化,而不一定是磁場本身。
01楞次定律究竟在反抗甚麼?
想像一個正面朝向你的圓形導線線圈。有一個外加磁場穿過線圈,方向指向紙面內。
如果磁場變強,穿入紙面內的磁通量便會增加。線圈會作出反應,產生一個指向紙面外的磁場。這個感應磁場會反抗磁通量的增加。
現在改為令外加磁場變弱。穿入紙面內的磁通量正在減少。這一次,線圈會產生一個指向紙面內的感應磁場。它的作用是阻止原有磁通量那麼快消失。
因此,同一個外加磁場方向可以產生方向相反的電流。
可以用一個有點傻氣的方式理解楞次定律:想像有一個人並不討厭目前的情況;他討厭的是情況改變。音樂變大聲,他便把音量調低。音樂變小聲,他便把音量調高。當然,這個比喻並不完全成立,因為導電線圈沒有意圖或意識。這種反應來自電磁感應。
規則是:
感應電流的方向,會使它產生的磁場反抗造成它的磁通量變化。
其中最重要的字是變化。
02先從磁通量開始
當你不再只想着磁場,而是開始考慮磁通量時,楞次定律便會容易得多。
對於穿過平面線圈的均勻磁場,
\[
\Phi = BA\cos\theta
\]
其中:
- \(\Phi\) 是穿過每一匝線圈的磁通量,單位為韋伯(\(\text{Wb}\)),
- \(B\) 是磁場強度,單位為特斯拉(\(\text{T}\)),
- \(A\) 是線圈面積,單位為平方米(\(\text{m}^2\)),以及
- \(\theta\) 是磁場方向與線圈法線之間的夾角。
法線是一條假想的直線,垂直於線圈所在的平面。如果最後一句聽起來令人有點抽象,磁通量指南會從幾何關係開始建立這個概念。
磁通量可能因為以下原因而改變:
- \(B\) 改變,
- 面積 \(A\) 改變,
- 角度 \(\theta\) 改變,或
- 線圈移入或移出磁場不同的區域。
楞次定律所回應的是由此產生的磁通量變化。它不在乎是哪一種改變造成了磁通量變化。
這一點在較難的題目中特別重要,因為兩種變化可能互相競爭。
03四種方向情況
對於畫在紙面上的線圈,可用叉號表示指向紙面內的磁場,用圓點表示指向紙面外的磁場。
這樣便有四種基本情況。
| 外加磁通量的變化 | 感應磁場 | 從正面觀察的感應電流 |
|---|---|---|
| 指向紙面內並增加 | 指向紙面外 | 逆時針 |
| 指向紙面內並減少 | 指向紙面內 | 順時針 |
| 指向紙面外並增加 | 指向紙面內 | 順時針 |
| 指向紙面外並減少 | 指向紙面外 | 逆時針 |

不要把這個表格當成四項互不相關的事實來背誦。有一個可靠得多的方法。
04解答楞次定律題目的可靠方法
步驟 1:找出外加磁通量的方向
穿過線圈的相關磁場是指向紙面內、紙面外、左、右、上,還是下?
這時先不要考慮電流。
步驟 2:判斷磁通量正在增加還是減少
很多題目的成敗就在這一步。
例如:
- 磁鐵接近線圈可能令磁通量增加,
- 磁鐵遠離線圈可能令磁通量減少,
- 磁場變弱會令磁通量減少,
- 線圈進入磁場區域時會增加磁通量,以及
- 即使線圈正在移動,只要它完全位於均勻磁場內,磁通量仍可能保持不變。
步驟 3:判斷感應磁場的方向
問自己:甚麼方向的感應磁場能夠反抗這個特定的變化?
例如,如果指向紙面內的磁通量正在增加,指向紙面外的感應磁場便會反抗這個增加。
如果指向紙面內的磁通量正在減少,指向紙面內的感應磁場便會嘗試維持原有磁通量。
步驟 4:把感應磁場轉換成電流方向
現在使用右手握拳定則。
讓右手手指沿着傳統電流方向彎曲,你的拇指便會指出線圈所產生磁場的方向。
因此:
- 逆時針電流會產生指向紙面外的磁場,而
- 順時針電流會產生指向紙面內的磁場。
把各個步驟分開:
\[
\text{磁通量變化} \rightarrow \text{感應磁場} \rightarrow \text{感應電流}
\]
如果嘗試直接從「磁鐵向這個方向移動」跳到「電流是順時針」,就很容易累積方向或正負號錯誤。
05為甚麼楞次定律必須如此運作
這種反抗背後有一個更深層的原因:能量守恆。
想像把磁鐵的北極推向一個閉合導電線圈。
增加的磁通量會感應出電流。這股電流會產生磁場,使線圈靠近磁鐵的一面表現得像北極。因此,正在接近的北極會受到排斥力。
你必須做功,才能繼續把磁鐵向前推。
這些機械功可以轉化成電路中的電能;如果導線有電阻,還可以轉化成熱能。
現在想像相反的定律存在。假設感應電流不是反抗變化,而是幫助變化。
接近線圈的北極便會感應出一個吸引它的磁場。磁鐵會加速衝向線圈。更快的運動會造成更大的磁通量變化,產生更大的電流,而這又會更強烈地拉動磁鐵。
這樣你便能在沒有提供相應能量的情況下,同時獲得動能和電能。
這是不可能的。
楞次定律防止了這種失控過程。
有一項限定值得記住。當磁通量變化完全由磁鐵與導體之間的相對運動造成時,感應磁力通常會反抗這種運動。不過,「力總是反抗運動」並不是基本定律。基本定律是:感應效應會反抗磁通量的變化。
稍後我們會看到一個例子:外部電源正在改變磁場,而感應磁力實際上可以與物體的運動方向相同。
06法拉第定律中的負號
法拉第定律給出感應電動勢的大小和正負方向:
\[
\varepsilon = -N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}
\]
其中:
- \(\varepsilon\) 是感應電動勢,單位為伏特(\(\text{V}\)),
- \(N\) 是線圈匝數,
- \(\Delta\Phi\) 是每一匝線圈的磁通量變化,單位為韋伯(\(\text{Wb}\)),以及
- \(\Delta t\) 是變化發生的時間,單位為秒(\(\text{s}\))。
這個負號就是以數學形式表示的楞次定律。
它並不表示電路具有某種絕對意義上的「負電壓」。電壓方向取決於你選擇的參考方向。負號表示感應電動勢的作用方向會反抗磁通量的變化。
對大多數 HSC 方向判斷題,一個好方法是:
- 使用法拉第定律計算大小,以及
- 再利用楞次定律和右手握拳定則,分開判斷方向。
這樣通常比較不容易出現正負號錯誤。
如想進一步了解如何計算感應電動勢本身,請參閱 HSC 物理的法拉第定律。
例題:穿入線圈的磁通量增加
一個 200 匝的圓形線圈,其指向紙面內的磁通量在 \(0.020\ \text{s}\) 內,由每匝 \(1.5\times10^{-4}\ \text{Wb}\) 增加至每匝 \(4.5\times10^{-4}\ \text{Wb}\)。計算平均感應電動勢的大小,並判斷從正面觀察時感應電流的方向。
步驟 1
\[
|\Delta\Phi|
= |4.5\times10^{-4}-1.5\times10^{-4}|
= 3.0\times10^{-4}\ \text{Wb}
\]
指向紙面內的磁通量正在增加。
步驟 2
\[
|\varepsilon|
= N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}
= 200\left(\frac{3.0\times10^{-4}}{0.020}\right)
= 3.0\ \text{V}
\]
步驟 3
外加的紙面內磁通量正在增加,因此線圈必須產生一個指向紙面外的磁場,以反抗這個增加。
步驟 4
指向紙面外的磁場由逆時針電流產生。
平均感應電動勢為 \(3.0\ \text{V}\),而從正面觀察,電流方向為逆時針。
注意,我們並不是說:「磁場指向紙面內,所以電流一定要產生向外的磁場。」我們說的是:「指向紙面內的磁通量正在增加,所以感應磁場必須指向紙面外。」
這句額外的描述,就是楞次定律與常見誤解之間的差別。
例題:逐漸變弱的磁場與有電阻的線圈
一個 60 匝線圈,每匝面積為 \(0.012\ \text{m}^2\)。一個垂直穿過線圈、方向指向紙面內的均勻磁場,在 \(0.15\ \text{s}\) 內由 \(0.80\ \text{T}\) 減少至 \(0.20\ \text{T}\)。線圈的總電阻為 \(4.0\ \Omega\)。
計算平均感應電動勢的大小、感應電流,以及從正面觀察時的電流方向。
步驟 1
由於磁場垂直於線圈,\(\cos\theta=1\),所以 \(\Phi=BA\)。
\[
|\Delta\Phi|
= A|\Delta B|
= 0.012(0.80-0.20)
= 7.2\times10^{-3}\ \text{Wb}
\]
步驟 2
\[
|\varepsilon|
= N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}
= 60\left(\frac{7.2\times10^{-3}}{0.15}\right)
= 2.88\ \text{V}
\]
步驟 3
\[
I=\frac{\varepsilon}{R}
=\frac{2.88}{4.0}
=0.72\ \text{A}
\]
步驟 4
外加磁通量指向紙面內,但它正在減少。
因此,感應磁場同樣指向紙面內。它試圖阻止指向紙面內的磁通量減少。
要產生指向紙面內的磁場,需要順時針電流。
所以感應電動勢為 \(2.88\ \text{V}\),電流為 \(0.72\ \text{A}\),方向為順時針。
感應磁場與外加磁場指向相同方向並沒有任何矛盾。楞次定律並不要求兩個磁場彼此相反。它要求感應效應反抗的是變化。
07磁鐵版本:接近與離開
假設磁鐵的北極朝向一個導電線圈。
當北極接近時,穿過線圈的磁通量增加。線圈會產生一個磁場來反抗這個增加。線圈靠近磁鐵的一面表現得像另一個北極,因此產生排斥作用。
現在讓磁鐵經過線圈後開始遠離。
原有磁通量此時正在減少。感應電流會反向,使線圈嘗試維持正在消失的磁通量。此時線圈與正在離開的磁鐵之間會產生吸引作用。
在兩個階段中,磁力都會抵抗由磁鐵運動造成的變化:
- 磁鐵接近:排斥,
- 磁鐵離開:吸引。
這就是為甚麼磁鐵從導電管中掉落時,可以比單純受重力作用時慢得多。機械能會透過感應電流轉移,最後以熱能形式耗散。
如果把導電路徑切斷,使電路成為開路,仍然可以產生感應電動勢。不過,由於沒有可供顯著電流持續流動的閉合路徑,磁煞車效應便會大幅減弱。
感應電動勢與感應電流之間的這項區別,也是常見的考試陷阱。
08三個值得釐清的誤解
「感應磁場總是反抗外加磁場」
不是。
如果外加磁通量正在增加,感應磁場會與它的方向相反。
如果外加磁通量正在減少,感應磁場會指向相同方向,以嘗試維持原有磁通量。
永遠先問:究竟是甚麼正在改變?
「在磁場中移動一定會產生感應電流」
不是。
線圈可以在完全均勻的磁場中移動,而它的面積、方向和所處磁場強度全部保持不變。
此時磁通量保持恆定:
\[
\Delta\Phi=0
\]
因此,對整個線圈而言,
\[
\varepsilon=0
\]
單純運動並不足夠。磁通量必須改變。
「感應電流會嘗試阻止磁通量」
也不是。
穩定不變的磁通量不會產生感應電動勢。
楞次定律所反抗的是磁通量的變化,而不是磁通量本身。一旦磁通量停止改變,產生感應電動勢的原因也會消失。
09問題與解答
問題 1
從正面觀察一個圓形導電線圈。一個指向紙面外的磁場正在增強。
判斷感應電流的方向,並解釋你的推理。
解答 1
感應電流方向為順時針。
指向紙面外的外加磁通量正在增加。根據楞次定律,線圈會產生一個感應磁場來反抗這個增加,因此感應磁場必須指向紙面內。
利用右手握拳定則,順時針的傳統電流會產生指向紙面內的磁場。
一個很容易犯的錯誤,是只記住「磁場方向相反」,卻沒有先檢查磁通量是在增加還是減少。這種想法在這題恰好成立,只因為指向紙面外的外加磁通量正在增加。
問題 2
一個 40 匝的長方形線圈以 \(2.5\ \text{m s}^{-1}\) 的速度向右移動,進入一個均勻磁場區域。磁場大小為 \(0.60\ \text{T}\),方向指向紙面內。跨越磁場邊界的線圈垂直邊長為 \(0.12\ \text{m}\)。線圈總電阻為 \(1.5\ \Omega\)。
假設線圈以題目所述的恆定速度運動。
求:
a. 線圈進入磁場區域時的感應電動勢和電流,
b. 線圈進入時的電流方向,
c. 整個線圈完全位於均勻磁場中時的電流,以及
d. 線圈之後以相同速度離開磁場區域時的電流方向。
解答 2
線圈進入時,感應電動勢為 \(7.2\ \text{V}\),電流為 \(4.8\ \text{A}\),方向為逆時針;當線圈完全位於均勻磁場內時,電流為零;線圈離開時,電流方向為順時針。
線圈進入磁場時,位於磁場中的面積增加。因此,指向紙面內的磁通量增加。
對於以恆定速度跨越直線磁場邊界的線圈,進入磁場的面積變化率為
\[
\frac{\Delta A}{\Delta t}=lv
\]
其中 \(l=0.12\ \text{m}\) 是跨越邊界的邊長,而 \(v=2.5\ \text{m s}^{-1}\) 是速度。
因此,感應電動勢為
\[
\varepsilon=NBlv
=40(0.60)(0.12)(2.5)
=7.2\ \text{V}
\]
利用歐姆定律,
\[
I=\frac{\varepsilon}{R}
=\frac{7.2}{1.5}
=4.8\ \text{A}
\]
正在增加的外加磁通量指向紙面內。因此,感應磁場必須指向紙面外,需要逆時針電流。
當線圈完全位於均勻磁場內時,它的面積、方向和磁場強度全部保持不變。因此,即使線圈仍在移動,它的磁通量仍然恆定:
\[
\Delta\Phi=0
\]
所以感應電動勢和電流都為零。
當線圈離開時,指向紙面內的磁通量減少。感應磁場此時指向紙面內,以反抗這個減少,因此電流變成順時針。
一個看似合理但錯誤的思路,是認為移動中的導體一定有感應電流。缺少的條件是:穿過完整電路的磁通量必須改變。一旦線圈完全位於均勻磁場內,就沒有這種改變。
問題 3
一個 100 匝的導電線圈保持與一個指向紙面外的均勻磁場垂直。在 \(0.10\ \text{s}\) 的時間內,磁場強度由 \(0.40\ \text{T}\) 增加至 \(0.55\ \text{T}\),同時線圈所包圍的面積由 \(0.020\ \text{m}^2\) 減少至 \(0.014\ \text{m}^2\)。
線圈的電阻為 \(0.50\ \Omega\)。
求平均感應電流,包括其方向。
解答 3
平均感應電流為 \(0.60\ \text{A}\),方向為逆時針。
關鍵是:雖然磁場強度增加,但磁通量並不只取決於 \(B\)。還必須把面積縮小這項變化計算在內。
最初,
\[
\Phi_i=B_iA_i
=(0.40)(0.020)
=8.0\times10^{-3}\ \text{Wb}
\]
每匝。
最後,
\[
\Phi_f=B_fA_f
=(0.55)(0.014)
=7.7\times10^{-3}\ \text{Wb}
\]
每匝。
因此,
\[
\Delta\Phi
=7.7\times10^{-3}-8.0\times10^{-3}
=-3.0\times10^{-4}\ \text{Wb}
\]
儘管磁場強度增加,指向紙面外的磁通量實際上減少了。
平均感應電動勢的大小為
\[
|\varepsilon|
=N\frac{|\Delta\Phi|}{\Delta t}
=100\left(\frac{3.0\times10^{-4}}{0.10}\right)
=0.30\ \text{V}
\]
所以
\[
I=\frac{\varepsilon}{R}
=\frac{0.30}{0.50}
=0.60\ \text{A}
\]
由於指向紙面外的磁通量正在減少,感應磁場會指向紙面外,以反抗這個減少。
因此,電流方向為逆時針。
一個很容易出現的預測是:「\(B\) 增加,所以感應磁場一定要反抗 \(B\)。」這忽略了面積同時也在改變。楞次定律回應的是 \(\Phi=BA\) 的淨變化,而在這題中,面積減少的影響略大於磁場強度增加的影響。
問題 4
一根長度為 \(0.50\ \text{m}\) 的導電棒在水平導電軌道上無摩擦地向右滑動。軌道與導電棒構成一個閉合長方形電路,其中有一個 \(2.0\ \Omega\) 的電阻。其他所有電阻均可忽略。
一個大小為 \(0.80\ \text{T}\) 的均勻磁場指向紙面內。一個恆定的 \(0.40\ \text{N}\) 外力把導電棒向右拉。
當導電棒移動時,電路所包圍的面積增加。
a. 解釋感應電流的方向,以及作用在導電棒上的磁力方向。
b. 計算導電棒的終端速度。
c. 計算終端速度下的電流和熱能產生率。
d. 把電阻換成 \(4.0\ \Omega\),並繼續使用相同的恆定拉力。求新的終端速度和電流。解釋為甚麼在這種情況下,增加電阻不會減少終端電流。
解答 4
感應電流為逆時針,導電棒所受磁力向左;原本的終端速度為 \(5.0\ \text{m s}^{-1}\)。把電阻加倍後,終端速度增加至 \(10\ \text{m s}^{-1}\),但終端電流仍然是 \(1.0\ \text{A}\)。
當導電棒向右移動時,電路包圍的面積增加。外加磁場指向紙面內,因此指向紙面內的磁通量增加。
楞次定律要求感應磁場指向紙面外。因此,電流為逆時針。
在右側正在移動的導電棒上,逆時針電流向上流動。作用在這根載流導電棒上的磁力向左,反抗令磁通量增加的運動。
對於以速度 \(v\) 垂直於磁場移動的導電棒,
\[
\varepsilon=Blv
\]
所以電流為
\[
I=\frac{Blv}{R}
\]
作用在導電棒上的磁力大小為
\[
F_B=BIl
\]
代入電流,
\[
F_B
=B\left(\frac{Blv}{R}\right)l
=\frac{B^2l^2v}{R}
\]
在終端速度下,加速度為零,因此磁力與外加拉力平衡:
\[
F_{\text{pull}}=F_B
\]
因此,
\[
0.40
=\frac{(0.80)^2(0.50)^2v}{2.0}
\]
所以
\[
v
=\frac{(0.40)(2.0)}{(0.80)^2(0.50)^2}
=5.0\ \text{m s}^{-1}
\]
在這個速度下,
\[
I
=\frac{Blv}{R}
=\frac{(0.80)(0.50)(5.0)}{2.0}
=1.0\ \text{A}
\]
熱能產生率為
\[
P=I^2R
=(1.0)^2(2.0)
=2.0\ \text{W}
\]
這與輸入的機械功率相符:
\[
P=Fv=(0.40)(5.0)=2.0\ \text{W}
\]
現在把電阻換成 \(R=4.0\ \Omega\)。
在終端速度下,
\[
v
=\frac{F_{\text{pull}}R}{B^2l^2}
=\frac{(0.40)(4.0)}{(0.80)^2(0.50)^2}
=10\ \text{m s}^{-1}
\]
新的電流為
\[
I
=\frac{Blv}{R}
=\frac{(0.80)(0.50)(10)}{4.0}
=1.0\ \text{A}
\]
所以終端電流仍然是 \(1.0\ \text{A}\)。
一個很容易想到的論點是:把電阻加倍一定會令電流減半。如果感應電動勢保持不變,這確實正確。但感應電動勢並不保持不變。
較大的電阻最初會令電流較小,因此磁煞車力也較小。恆定外力隨後會令導電棒加速到更高速度。更高的速度又會產生更大的感應電動勢。只有當電流再次大到足以使磁力平衡固定的 \(0.40\ \text{N}\) 拉力時,才會達到終端運動狀態。
事實上,在終端速度下,
\[
F_{\text{pull}}=BIl
\]
所以
\[
I=\frac{F_{\text{pull}}}{Bl}
\]
當中完全沒有電阻。
電阻控制的是產生這個電流所需要的終端速度。
這是楞次定律與能量守恆共同作用的結果,而不是兩個彼此分離的物理概念。
問題 5
一個 50 匝、電阻為 \(0.50\ \Omega\) 的導電線圈,與一個電磁鐵共軸,並位於電磁鐵右方。電磁鐵穿過線圈的磁場指向右方,而且越接近電磁鐵的位置,磁場越強。
線圈已經在向右移動,亦即遠離電磁鐵。
在某一瞬間,有兩個過程正在改變穿過每一匝線圈的外加磁通量:
- 由於線圈正在遠離,向右的磁通量正以 \(6.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}\) 的速率減少;
- 由於外部電源正在增加電磁鐵中的電流,向右的磁通量正以 \(9.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}\) 的速率增加。
把向右的磁通量定義為正。
a. 求每匝外加磁通量的淨變化率。
b. 計算感應電動勢與電流的大小。
c. 一名觀察者站在線圈右側,望回電磁鐵。判斷他看到的感應電流是順時針還是逆時針。
d. 判斷此刻線圈所受磁力是朝向電磁鐵還是遠離電磁鐵。由此判斷磁力是反抗還是協助線圈目前的運動。
e. 電磁鐵造成的磁通量增加率要是多少,才會令感應電流瞬間為零?解釋如果電源造成的磁通量增加率稍微低於這個值,電流和磁力會發生甚麼變化。
假設感應電流足夠小,因此題目給出的外加磁通量變化率可視為固定不變。
解答 5
向右的淨磁通量正以 \(3.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}\) 的速率增加,產生 \(0.015\ \text{V}\) 的感應電動勢,以及從右側觀察為順時針、大小 \(0.030\ \text{A}\) 的電流。此刻,感應磁相互作用會把線圈推離電磁鐵,因此磁力會協助線圈目前的運動,而不是反抗它。這並不違反楞次定律或能量守恆。
先把造成磁通量變化的兩個原因合併。
把向右磁通量的增加定義為正。線圈運動造成的貢獻為
\[
-6.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}
\]
而電磁鐵電流增加造成的貢獻為
\[
+9.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}
\]
因此,
\[
\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}
=
9.0\times10^{-4}
–
6.0\times10^{-4}
=
3.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}
\]
外加磁通量的淨結果是向右增加。
感應電動勢的大小為
\[
|\varepsilon|
=N\left|\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right|
=50(3.0\times10^{-4})
=1.5\times10^{-2}\ \text{V}
\]
所以
\[
|\varepsilon|=0.015\ \text{V}
\]
電流為
\[
I=\frac{\varepsilon}{R}
=\frac{0.015}{0.50}
=0.030\ \text{A}
\]
現在判斷方向。
向右的外加磁通量正在增加,因此線圈必須產生一個向左的磁場。
觀察者站在線圈右側,向左望。如果磁場向右,它便會指向觀察者,相當於從他的視角看是指向紙面外。因此,所需的向左感應磁場會指離觀察者,相當於指向紙面內。
這需要順時針電流。
現在考慮力。
電磁鐵的磁場指向右方。線圈的感應磁場指向左方,所以線圈的磁矩與電磁鐵的磁場方向相反。由於越接近電磁鐵,外加磁場越強,這個方向相反的磁矩會被推向較弱磁場的區域,也就是遠離電磁鐵。
線圈本身已經正在遠離,因此磁力與它的速度方向相同。
這看起來可能與常見說法「楞次定律反抗運動」矛盾,但其實並不矛盾。
線圈並不只是在回應自身的運動。它的運動正在嘗試減少磁通量,但由外部電源驅動的電磁鐵令磁通量以更快的速率增加。淨結果是向右的磁通量正在增加。
感應電流正是按照楞次定律的要求,反抗這個淨增加。
額外的機械能和熱能可以來自驅動電磁鐵的外部電源。並沒有憑空產生能量。
要令電流瞬間變成零,兩個磁通量變化的貢獻必須互相抵消:
\[
\left(\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\right)_{\text{source}}
=
6.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}
\]
在這個確切速率下,
\[
\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}=0
\]
所以
\[
\varepsilon=0
\]
因此沒有感應電流。
如果電源造成的磁通量增加率稍微低於 \(6.0\times10^{-4}\ \text{Wb s}^{-1}\),由運動造成的磁通量減少便會成為較大的效應。向右的淨磁通量此時會減少。
感應磁場會反向,改為指向右方,因此從右側觀察時,電流會變成逆時針。線圈的磁矩此時與外加磁場方向一致,因此線圈會被吸向電磁鐵附近較強的磁場區域。
這個力指向左方,反抗線圈向外遠離的運動。
這題最難掌握的關鍵在於,楞次定律並不問:「物體正在向哪個方向移動?」它問的是:「總磁通量正在發生甚麼變化?」
10楞次定律讓你接下來能理解甚麼
一旦你能夠把外加磁通量變化、感應磁場和感應電流分開處理,幾個 HSC 電磁學概念便會容易得多。
法拉第定律告訴你磁通量變化會產生多大的感應電動勢。楞次定律告訴你它的方向或取向。電動機效應再告訴你,這股感應電流在磁場中可能受到甚麼力。
把這些概念結合起來,你便可以分析磁煞車、發電機、運動導體、反電動勢和能量轉移,而不必依賴死記順時針或逆時針的模式。
要保留的習慣很簡單:在使用右手定則之前,先準確判斷磁通量到底正在發生甚麼變化。