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海因里希·楞次

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楞次(1804~1865)Lenz,Heinrich Friedrich Emil ,俄國物理學家,地球物理學家 。1804年2月24日生於多爾帕特,1865年2月10日卒於義大利羅馬 。1820年入多爾帕特大學 。1836~1865 年任聖彼得堡大學教授 。楞次在1833年發現感生電動勢阻止產生這一感應的磁鐵或線圈的運動 ,此結論於1834年發表 , 后稱為楞次定律。1842~1843 年獨立於J.P.焦耳並更精確地建立了電流與其所生熱量的關係 ,后被稱為焦耳-楞次定律 。他還研究了金屬的電阻率 ,確定了電阻率與溫度的關係;建立了電磁鐵吸引力與磁化電流的二次方成正比的定律。1832年致力於電學量和磁學量的衝擊法測量的研究以及其他多方面電學研究。1834年起當選為科學院院士;1836~1865年任彼得堡大學教授,1840年任數理系主任,1863年任校長。其間還在海軍和師範學院任教。1865年2月10日在羅馬逝世。

1 海因里希·楞次 -個人簡介

海因里希·楞次 海因里希·楞次

楞次(Lenz,Heinrich Friedrich Emil)1804年2月24日誕生於愛沙尼亞.16歲以優異成績考入家鄉的道帕特大學.1828年被挑選為俄國聖彼得堡科學院的初級科學助理,1830年被選為聖彼得堡科學院通訊院士,1834年選為院士.曾長期擔任聖彼得堡大學物理數學系主任,後來由教授會選為第一任校長.

楞次從青年時代就開始研究電磁感應現象。1831年法拉第發現了電磁感應現象后,當時已有許多便於記憶的「左手定則」、「右手定則」、「右手螺旋法則」等經驗性規則,但是並沒有給出確定感生電流方向的一般法則。1833年楞次在總結了安培的電動力學與法拉第的電磁感應現象后,發現了確定感生電流方向的定律──楞次定律。這一結果於1834年在《物理學和化學年鑒》上發表。楞次定律說明電磁現象也遵循能量守恆定律。

1842年楞次獨立於焦耳並更為精確地建立了電流與其所產生的熱量的關係,后被稱為焦耳定律或焦耳-楞次定律。他還研究並定量地比較了不同金屬的電阻率及電阻率與溫度間的關係。

在電工技術、地球物理與電化學方面他也作了大量工作。

1845年在他的倡導與協助下成立了俄國地理學會。

作為一名優秀教師,他還培養出一批著名的俄國物理學家。

楞次在物理學上的主要成就是發現了電磁感應的楞次定律和電熱效應的焦耳-楞次定律.

1833年,楞次在聖彼得堡科學院宣讀了他的題為「關於用電動力學方法決定感生電流方向」的論文,提出了楞次定律.亥姆霍茲證明楞次定律是電磁現象的能量守恆定律.

在電熱方面,1843年楞次在不知道焦耳發現電流熱作用定律(1841年)的情況下,獨立地發現了這一定律.他用改善實驗方法和改用酒精作傳熱介質,提高了實驗的精度.

1831年,楞次基於感應電流的瞬時和類衝擊效應,利用衝擊法對電磁現象進行了定量研究,確定了線圈中的感應電動勢等於每匝線圈中電動勢之和,而與所用導線的粗細和種類無關.1838年,楞次還研究了電動機與發電機的轉換性,用楞次定律解釋了其轉換原理.1844年,楞次在研究任意個電動勢和電阻的並聯時,得出了分路電流的定律,比基爾霍夫發表更普遍的電路定律早了4年.

1865年寒假,楞次在義大利羅馬中風去世.

2 海因里希·楞次 -生平介紹

楞次,原名Эмилий Хрианович Ленц,即愛米利·赫里斯契阿諾維奇·楞次,公曆1804年2月24日(俄歷2月12日)生於俄羅斯傑爾浦特(Дерпт,英文DorPat即多爾巴特),即現在蘇聯愛沙尼亞社會主義共和國的塔爾塔(Tapтa,英文Tarta,也有寫Tartu即塔爾圖),父親是當地的一位行政長官的首席秘書,1817年去世,留下處於困境的妻子和兩個兒子。他16歲以最優成績從中學畢業進入傑爾浦特大學。在大學里他跟他舅舅(吉斯)學習化學並在該校第一任校長G.F.帕洛特指導下學習物理學。1823年完成大學學業,帕洛特將19歲的楞次推薦給海軍上將I.F.克魯森斯蒂恩,作為一名地球物理觀測人員參加《企業號》軍艦於1823一1826年在俄國航海家O.E.柯且布的領導下的第二次環球科學考察。考察回來后,他當過中學物理教師。1928年2月,他在彼得堡科學院作環球考察報告,由於考察所獲的豐碩成果,受到一致好評,於是被選拔為科學院的科學助理。1829—1830年,他到南俄羅斯執行了高加索高山區、黑海及裏海沿岸的大地勘測任務,他攀登厄爾布魯斯山,測量了高度,測量了尼古拉耶夫的磁場,並且開創了黑海水位變化精密測量和在巴庫進行了石油和天然氣的取樣工作。1830年他當選為彼得堡科學院候補院士,1834年選為正式院士。

1831年,楞次在參與對科學院實驗室改組工作時,開始了他在電學和磁學方面卓有成效的工作。自1835年10月他應聘為彼得堡大學(后名列寧格勒大學)物理教授起到1865年去世前,可以說都在彼得堡大學等校任教。其間,在1836年,他主持了彼得堡大學的物理和自然地理教研室工作。1840—1863年,為該校物理數學系主任。1863年成為根據該校新法規由教授團遴選的第一位校長。此外,1835—1841年期間,他還在海軍武備學校兼課。1848一1861年期間,在米哈依洛夫斯基炮兵學校(1855年更名為學院)兼職任教。1851—1859年間,他主持了中心師範學院物理學教研室。他提高了大學的物理教學水平,全面改組了物理數學系,從他任教的學校中造就出了許多知識淵博的學者,如A.C.薩維爾耶夫、M.И.塔留金、M.Ⅱ.阿維那裡烏斯、Φ.Φ.彼得魯謝夫斯基等。他的一生為培育俄國物理學家作出了巨大貢獻。他還從事中學物理教學問題的研究,他的《物理指南(俄羅斯中學用)》一書先後共出了十一版。

1864年,楞次因患眼疾辭退了彼得堡大學校長之職,到義大利療養。后不幸腦溢血,於公曆1865年2月10日(俄歷1月29日)逝世,葬於羅馬。

楞次的一生在電磁學方面作出了卓越的貢獻,他寫了大量的科學論文,尤其出名的有兩篇,一篇名為《論電動感應中所激發的電流方向的確定》(1833年報告,1834年刊印發表),另一篇是《論電流生熱的定律》(1842年報告,1843—1844年刊印發表)。前一篇論文建立了一條確定感應電流方向的定律——楞次定律。許多類似的定則(如安培、法拉第、麥克斯韋的)都只有純粹的幾何內容,而楞次定律卻描述了某種動力學規律。1846年諾埃曼關於感應電動勢的數學表達式的推導及1847年德國學者亥姆霍茲關於電磁現象中能量守恆定律的證明,都是建立在楞次定律的基礎上。這個定律還包含了電動機和發電機的可逆性原理。后一篇論文指出了電流生熱的規律,即焦耳—楞次定律,這是楞次與英國物理學家焦耳各自獨立地提出來的。焦耳發現這一定律稍早一點(1841年),在當時焦耳的實驗並沒有立即被科學家所公認,楞次的實驗工作對這條定律的建立起了不可抹煞的作用。

1838年起,楞次與俄國物理學家E.C.雅可比合作,對電磁鐵的最有利的構造進行了研究,奠定了磁化現象研究的基礎。他們寫的論文《論電磁定律》是關於電動機械的電磁學計算方法方面的最早的貢獻,這些方法一直沿用到1880年磁迴路定律提出為止。1847年,他發表了三篇論文,在《關於磁電機的轉速對感應電流大小的影響》一文中,楞次從理論上對發電機進行了研究,他確定了「電樞反應」現象的存在,並且為了減小這一影響,他提出了改進機器電刷的建議,在分析發電機的過程時,他運用了自己所發明的儀器來研究交變電流的曲線形式。另兩篇文章總結了他對電流和磁化強度關係的研究。這些成果奠定了電機電樞反應基本理論的基礎。楞次在金屬電阻與溫度的關係的確定、驗證歐姆定律、為了測磁電流與雅可比合作所創立的衝擊法以及在電化學方面與薩維爾耶夫合作對電極電勢的研究等方面的貢獻,使我們有理由認為他是電學和電工學理論基礎的奠基人之一。同樣,楞次還以他在地球物理方面和自然地理方面的成就聞名,他考察了不同緯度地區的大氣溫度的垂直分佈,海水的鹹度、晝夜溫差變化等情況,並開創了裏海的海平面歷史變遷情況的研究。1864年,在他晚年時出版了《物埋學手冊》一書,對科學界影響較大。

綜上史料,楞次應該是傑出的俄國物理學家。

3 海因里希·楞次 -楞次定律

海因里希·楞次楞次定律演示圖
楞次定律是一條電磁學的定律,從電磁感應得出感生電動勢的方向。

感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。
注意:「阻礙」不是「相反」,原磁通量增大時方向相反,原磁通量減小時方向相同;「阻礙」也不是阻止,電路中的磁通量還是變化的.
它的公式是:

海因里希·楞次海因里希·楞次

(如圖所示)

其中 E 是電感,N 是線圈圈數,Φ 是磁通量。

1833年, 楞次 在概括了大量實驗事實的基礎上,總結出一條判斷感應電流方向的規律,稱為楞次定律( Lenz law )。
楞次定律可表述為 :
閉合迴路中感應電流的方向,總是使得它所激發的磁場來阻礙引起感應電流的磁通量的變化.
楞次定律也可簡練地表述為 :
感應電流的效果,總是阻礙引起感應電流的原因。


海因里希·楞次楞次定律演示器
一、難點分析

1. 從靜到動的一個飛躍

學習「楞次定律」之前所學的「電場」和「磁場」只是局限於「靜態場」考慮,而「楞次定律」所涉及的是變化的磁場與感應電流的磁場之間的相互關係,是一種「動態場」,並且「靜到動」是一個大的飛躍,所以學生理解起來要困難一些。

2. 內容、關係的複雜性

「楞次定律」涉及的物理量多,關係複雜。產生感應電流的原磁場與感應電流的磁場兩者都處於同一線圈中,且感應電流的磁場總要阻礙原磁場的變化,它們之間既相互依賴又相互排斥。如果不明確指出各物理量之間的關係,使學生有一個清晰的思路,勢必造成學生思路混亂,影響學生對該定律的理解。

3. 學生知識、能力的不足

要能理解「楞次定律」必須具備一定的思維能力,而大多數學生抽象思維和空間想象能力還不是很強,對物理知識的理解、判斷、分析、推理常常表現出一定的主觀性、片面性和表面性,所以在某些問題的理解上容易出差錯。

二、突破難點的方法

1. 正確理解「楞次定律」的內容及「阻礙」的含義

(1)「楞次定律」的內容:感應電流具有這樣的方向,即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

(2)對「阻礙」二字的理解:要正確全面地理解「楞次定律」必須從「阻礙」二字上下功夫,這裡起阻礙作用的是「感應電流的磁場」,它阻礙「原磁通量的變化」,不是阻礙原磁場,也不是阻礙原磁通量。不能認為「感應電流的磁場必然與原磁場方向相反」或「感應電流的方向必然和原來電流的流向相反」。所以「楞次定律」可理解為:當穿過閉合迴路的磁通量增加時,感應電流的磁場方向總是與原磁場方向相反;當穿過閉合迴路的磁通量減小時,感應電流的磁場方向總是與原磁場方向相同。另外「阻礙」不能理解為「阻止」,應認識到,原磁場是主動的,感應電流的磁場是被動的,原磁通量仍然要發生變化,阻止不了,而感應電流的磁場只是起阻礙作用而已。感應電流的磁場的存在只是削弱了穿過電路的總磁通量 變化的快慢,而不會改變 的變化特徵和方向。例如:當增大感應電流的磁場時, 原磁場也將在原方向上一直增大,只是增大得比沒有感應電流的磁場時慢一點而已。如果磁通量變化被阻止,則感應電流就不會繼續產生。無感應電流,就更談不上「阻止」了。

2. 掌握應用「楞次定律」判定感應電流方向的步驟

(1)明確原磁場的方向及磁通量的變化情況(增加或減少)。

(2)確定感應電流的磁場方向,依「增反減同」確定。

(3)用安培定則確定感應電流的方向。

3. 弄清最基本的因果關係

「楞次定律」所揭示的這一因果關係可用圖1(圖1在哪我也不知道)表示。感應磁場與原磁場磁通量變化之間阻礙與被阻礙的關係:原磁場磁通量的變化是因,感應電流的產生是果,原因引起結果,結果又反作用於原因,二者在其發展過程中相互作用,互為因果。

4. 正確認識「楞次定律」與能量轉化的關係

「楞次定律」是能量轉化和守恆定律在電磁運動中的體現,感應電流的磁場阻礙引起感應電流的原磁場的磁通量的變化,因此,為了維持原磁場磁通量的變化,就必須有動力作用,這種動力克服感應電流的磁場的阻礙作用做功,將其他形式的能轉變為感應電流的電能,所以「楞次定律」中的阻礙過程,實質上就是能量轉化的過程。

5. 多角度理解「楞次定律」

(1)從反抗效果的角度來理解:感應電流的效果,總是要反抗產生感應電流的原因,這是「楞次定律」的另一種表述。依這一表述,「楞次定律」可推廣為:

①阻礙原磁通量的變化。

②阻礙(導體的)相對運動(由導體相對磁場運動引起感應電流的情況)。可以理解為「來者拒,去者留」。

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