تعريف قانون لينز (فيزياء) ومعادلة وأمثلة

كان هاينريش لينز (يُشار إليه أيضًا باسم إميل لينز) فيزيائيًا من دول البلطيق وألمانيا وقد لا يتمتع بشهرة بعض من أوائل أعماله أقران القرن التاسع عشر مثل مايكل فاراداي ، لكنهم ما زالوا يساهمون بجزء أساسي في حل ألغاز الكهرومغناطيسية.

بينما كان بعض أقرانه يقومون باكتشافات مماثلة ، تم إعطاء اسم لينزقانون لينز​ ​في جزء كبير منه بسبب تدوين الملاحظات الدقيق والتوثيق الشامل لتجاربه وتفانيه في المنهج العلميغير شائع في ذلك الوقت. القانون نفسه يشكل جزءا هاما منقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، ويخبرك على وجه التحديد بـاتجاهحيث يتدفق التيار المستحث.

قد يكون من الصعب فهم القانون في البداية ، ولكن بمجرد فهمك للمفهوم الأساسي ، ستكون على ما يرام طريقك إلى فهم أعمق للكهرومغناطيسية ، بما في ذلك القضايا العملية مثل مشكلة إيدي التيارات.

قانون الاستقراء فاراداي ينص على أن المستحثالقوة الدافعة الكهربائية(EMF ، يشار إليه عادة باسم "الجهد") في ملف من الأسلاك (أو ببساطة ، حول حلقة) هو ناقص معدل تغير التدفق المغناطيسي عبر تلك الحلقة. رياضيًا ، واستبدال المشتق بـ "تغيير" أبسط (يمثله ∆) ، ينص القانون على ما يلي:

أينرحان الوقتنهو عدد الدورات في ملف السلك و phi () هو التدفق المغناطيسي. يعد تعريف التدفق المغناطيسي مهمًا جدًا لهذه المعادلة ، لذلك يجدر بنا أن نتذكر أنه:

التي تتعلق بقوة المجال المغناطيسي ،بإلى منطقة الحلقةأ، والزاوية بين الحلقة والحقل (θ) ، مع تحديد زاوية الحلقة على أنها عمودية على المنطقة (أي الإشارة مباشرة إلى خارج الحلقة). نظرًا لأن المعادلة تتضمن جيب التمام ، فإنها تكون عند الحد الأقصى للقيمة عندما يتم محاذاة الحقل مباشرة مع الحلقة ، وعند 0 عندما تكون متعامدة مع الحلقة (أي "جانب على").

تُظهر هذه المعادلات مجتمعة أنه يمكنك إنشاء EMF في ملف من الأسلاك عن طريق تغيير منطقة المقطع العرضيأ، قوة المجال المغناطيسيب، أو الزاوية بين المنطقة والمجال المغناطيسي. يتناسب حجم EMF المستحث بشكل مباشر مع معدل تغير هذه الكميات ، وبالطبع لا يجب أن يكون مجرد تغيير واحد من هذه الكميات من أجل إحداث EMF.

تم استخدام قانون فاراداي بواسطة جيمس كليرك ماكسويل كواحد من قوانينه الأربعة للكهرومغناطيسية ، على الرغم من أنه يتم التعبير عنه عادةً على أنه خط لا يتجزأ من المجال المغناطيسي حول حلقة مغلقة (وهي في الأساس طريقة أخرى لقول المجال الكهرومغناطيسي المستحث) ويتم التعبير عن معدل التغيير على أنه المشتق.

تم تضمين قانون لينز في قانون فاراداي لأنه يخبرنا بالاتجاه الذي يتدفق فيه التيار الكهربائي المستحث. إن أبسط طريقة لتوضيح قانون لينز هي أن التغيرات في التدفق المغناطيسي تحفز التيارات في اتجاهيعارض​ ​التغييرالذي تسبب في ذلك.

بمعنى آخر ، لأنه عندما يتدفق التيار فإنه يولد مجاله المغناطيسي الخاص ، اتجاه التيار المستحث هو أن المجال المغناطيسي الجديد في اتجاه معاكس للتدفق يغير ذلك خلقته. إنه مُغلف في قانون فاراداي بسبب علامة النفي ؛ هذا يخبرك أن EMF المستحث يعارض التغيير الأصلي في التدفق المغناطيسي.

للحصول على مثال بسيط ، تخيل ملفًا من الأسلاك به مجال مغناطيسي خارجي يشير إليه مباشرة من الجانب الأيمن (أي إلى مركز الملف ومع خطوط المجال التي تشير إلى اليسار) ، ثم يزداد المجال الخارجي في الحجم مع الحفاظ على نفس الشيء اتجاه. في هذه الحالة ، سوف يتدفق التيار المستحث في السلك لإنتاج مجال مغناطيسي يشير من الملف إلى اليمين.

إذا انخفض المجال الخارجي من حيث الحجم بدلاً من ذلك ، فإن التيار المستحث سوف يتدفق لإنتاج مجال مغناطيسي في نفس اتجاه المجال الأصلي ، لأنه يصد التدفقالتغييراتبدلا من مجرد معارضة المجال. منذ ذلك الحينيصد التغيير وليس بالضرورة الاتجاه، هذا يعني أنه أحيانًا ينشئ حقلاً في الاتجاه المعاكس وأحيانًا في نفس الاتجاه.

يمكنك استخدام قاعدة اليد اليمنى (تسمى أحيانًا قاعدة قبضة اليد اليمنى لتمييزها عنها قاعدة اليد اليمنى الأخرى المستخدمة في الفيزياء) لتحديد اتجاه الكهرباء الناتجة تيار. القاعدة سهلة التطبيق تمامًا: حدد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن المستحث الحالي ووجه إبهام يدك اليمنى في هذا الاتجاه ، ثم ثني أصابعك للداخل. اتجاه تجعيد أصابعك هو الاتجاه الذي يتدفق فيه التيار عبر ملف السلك.

ستساعد بعض الأمثلة الملموسة لكيفية عمل قانون لينز عمليًا على ترسيخ المفاهيم و الأبسط مشابه جدًا للمثال أعلاه: ملف من الأسلاك يتحرك داخل أو يخرج من مجال مغناطيسي. عندما تتحرك الحلقة في الحقل ، سيزداد التدفق المغناطيسي عبر الحلقة (في الاتجاه المعاكس لحركة ملف) ، يستحث تيارًا يعارض معدل تغير التدفق ، وبالتالي يخلق مجالًا مغناطيسيًا في اتجاه اقتراح.

إذا كان الملف يتحرك نحوك ، فإن قاعدة اليد اليمنى وقانون لينز يوضحان أن التيار سيتدفق في اتجاه عكس عقارب الساعة. إذا كان الملف يتحركخارجمن المجال ، فإن التدفق المغناطيسي المتغير سيكون في الأساس اختزالًا تدريجيًا بدلاً من زيادة ، لذلك سيتم إحداث التيار المعاكس بالضبط.

هذا الموقف مشابه لتحريك قضيب مغناطيسي داخل أو خارج مركز الملف ، لأنه عند تحريك المغناطيس للداخل ، سيكون الحقل تصبح أقوى وسيعمل المجال المغناطيسي المستحث على معارضة حركة المغناطيس ، لذلك ، عكس اتجاه عقارب الساعة من منظور مغناطيس. عند الخروج من مركز ملف السلك ، فإن التدفق المغناطيسي سينخفض ​​والمغناطيسي المستحث سيعمل الحقل مرة أخرى على معارضة حركة المغناطيس ، هذه المرة في اتجاه عقارب الساعة من منظور المغناطيس.

مثال أكثر تعقيدًا يتضمن ملفًا من الأسلاك يدور في مجال مغناطيسي ثابت ، لأنه مع تغير الزاوية ، فإن التدفق عبر الحلقة سيكون كذلك. أثناء انخفاض التدفق ، سيخلق التيار الكهربائي المستحث مجالًا مغناطيسيًا لمقاومة تغيرات التدفق ، لذلك سيكون في نفس اتجاه المجال الخارجي. أثناء زيادة التدفق ، يحدث العكس ويتم تحريض التيار لمقاومة الزيادة في التدفق المغناطيسي ، وبالتالي في الاتجاه المعاكس للحقل الخارجي. هذا يولد جهدًا متناوبًا (لأن EMF المستحث يتم تبديله في كل مرة تدور فيها الحلقة 180 درجة) ، ويمكن استخدام هذا لتوليد التيار المتردد.

التيار الدوامة هو اسم للتيارات الكهربائية الصغيرة التي تخضع لقانون لينز. على الرغم من ذلك ، يتم استخدام هذا الاسم بشكل خاص للإشارة إلى التيارات الصغيرة الملتفة في الموصلات المشابهة للدوامات التي تراها حول مجاديفك عند التجديف في الماء.

عندما يتم نقل موصل عبر مجال مغناطيسي - على سبيل المثال ، مثل بندول معدني يتأرجح بين أقطاب مغناطيس حدوة حصان - يتم تحفيز التيارات الدوامة ، وبما يتماشى مع قانون لينز ، فهذه تقاوم تأثير اقتراح. هذا يؤدي إلى التخميد المغناطيسي (حيث يعمل المجال المستحث بالضرورةضدالحركة التي خلقتها) ، والتي يمكن استخدامها بشكل منتج في أشياء مثل أنظمة الكبح المغناطيسية بالنسبة للوقايات الدوارة ، ولكنه سبب في إهدار الطاقة لأجهزة مثل المولدات والمحولات.

عند الحاجة إلى تقليل التيارات الدوامة ، يتم فصل الموصل إلى أقسام متعددة بواسطة طبقات عازلة رقيقة ، مما يحد من حجم التيارات الدوامة ويقلل من فقد الطاقة. ومع ذلك ، نظرًا لأن التيارات الدوامة هي نتيجة ضرورية لقوانين فاراداي ولينز ، فلا يمكن منعها تمامًا.