Закон на Ленц (физика) Определение, уравнение и примери

Хайнрих Ленц (наричан още Емил Ленц) е балтийско-германски физик, който може да няма славата на някои от ранните си Връстници от 19-ти век като Майкъл Фарадей, но които все още са допринесли с ключова част за решаването на загадките на електромагнетизъм.

Докато някои от връстниците му правеха подобни открития, името на Ленц бе дадено наЗаконът на Ленц​ ​до голяма степен благодарение на претенциозното му водене на бележки, изчерпателна документация на експериментите му и отдаденост на научния методнеобичайни за времето. Самият закон представлява важна част отЗаконът на Фарадей за електромагнитната индукция, и специално ви казвапосокав който тече индуцираният ток.

Законът може да ви е трудно да ви обърне главата в началото, но щом схванете ключовата концепция, ще бъдете добре вашия път към много по-задълбочено разбиране на електромагнетизма, включително практически въпроси като проблема с вихрите течения.

Законът на Фарадей за индукцията гласи, че индуцираниятелектродвижеща сила

КъдетоTе време,не броят на завъртанията в намотката от тел и phi (ϕ) е магнитният поток. Определението на магнитния поток е доста важно за това уравнение, така че си струва да се помни, че е:

което свързва силата на магнитното поле,Б., до зоната на цикълаA, и ъгъла между контура и полето (θ), като ъгълът на цикъла е дефиниран като перпендикулярен на зоната (т.е. насочен право навън от контура). Тъй като уравнението включва cos, то е с максимална стойност, когато полето е директно подравнено с цикъла, и при 0, когато е перпендикулярно на цикъла (т.е. „отстрани“).

Взети заедно, тези уравнения показват, че можете да създадете ЕМП в намотка от тел, като промените площта на напречното сечениеA, силата на магнитното полеБ., или ъгълът между площта и магнитното поле. Големината на индуцираната ЕМП е пряко пропорционална на скоростта на промяна на тези величини и, разбира се, не е необходимо просто да се променя една от тях, за да се предизвика ЕМП.

Законът на Фарадей е използван от Джеймс Клерк Максуел като един от четирите му закона за електромагнетизма, въпреки че обикновено се изразява като линеен интеграл на магнитното поле около затворен контур (което по същество е друг начин да се каже индуцираната ЕМП) и скоростта на промяна се изразява като производно.

Законът на Ленц е капсулиран в закона на Фарадей, защото ни казва посоката, в която протича индуцираният електрически ток. Най-простият начин да се посочи законът на Ленц е, че промените в магнитния поток индуцират токове в посока, коятопротивопоставя се​ ​промянататова го е причинило.

С други думи, тъй като когато тече ток, той генерира собствено магнитно поле, посоката на индуцираният ток е такъв, че новото магнитно поле е в посока, обратна на промяната на потока, която създадоха го. Той е капсулиран в закона на Фарадей поради отрицателния знак; това ви казва, че индуцираната ЕМП се противопоставя на първоначалната промяна в магнитния поток.

За прост пример, представете си намотка от тел с външно магнитно поле, сочещо директно в нея от дясната страна (т.е. в центъра на намотката и с линиите на полето, насочени вляво), а външното поле след това се увеличава по големина, но запазва същото посока. В този случай индуцираният ток в проводника ще тече така, че да създаде магнитно поле, сочещо от намотката вдясно.

Ако вместо това външното поле намалее по големина, индуцираният ток ще тече така, че да създаде магнитно поле в същата посока като оригиналното поле, защото противодейства на потокапромениа не просто да се противопостави на терена. Тъй катопротиводейства на промяната, а не непременно на посоката, това означава, че понякога създава поле в обратна посока, а понякога в същата посока.

Можете да използвате правилото за дясна ръка (понякога наричано правило за дясна хватка, за да го разграничите другото дясно правило, използвано във физиката) за определяне на посоката на получения електрически текущ. Правилото е доста лесно за прилагане: изработете посоката на магнитното поле, създадено от индуцираното ток и насочете палеца на дясната си ръка в тази посока и след това навийте пръстите си навътре. Посоката, в която се навиват пръстите ви, е посоката, в която токът тече през намотката от тел.

Някои конкретни примери за това как законът на Ленц действа на практика ще помогнат за циментиране на концепциите и на най-простото е много подобно на примера по-горе: намотка от тел, движеща се в или извън магнитно поле. Тъй като контурът се придвижва в полето, магнитният поток през контура ще се увеличава (в посока, обратна на движението на бобина), индуцирайки ток, който се противопоставя на скоростта на промяна на потока и по този начин създава магнитно поле в посока на неговата движение.

Ако бобината се движи към вас, правилото отдясно и законът на Ленц показват, че токът ще тече в посока, обратна на часовниковата стрелка. Ако бобината се движешенавънот полето, променящият се магнитен поток всъщност би бил постепенно намаляване вместо увеличаване, така че ще се индуцира точно обратният ток.

Тази ситуация е аналогична на преместването на магнит в центъра или извън центъра на намотката, тъй като при преместване на магнита полето ще бъде усилване и индуцираното магнитно поле ще работи, за да се противопостави на движението на магнита, така че, обратно на часовниковата стрелка от гледна точка на магнит. При излизане от центъра на намотката тел, магнитният поток ще намалява и индуцираният магнитен поле отново ще работи, за да се противопостави на движението на магнита, този път по посока на часовниковата стрелка от гледна точка на магнита.

По-сложен пример включва намотка от тел, въртяща се във фиксирано магнитно поле, тъй като с промяната на ъгъла потокът през контура също би се променил. По време на намаляването на потока, индуцираният електрически ток би създал магнитно поле, за да се противопостави на промените на потока, така че ще бъде в същата посока като външното поле. По време на увеличаването на потока се случва обратното и токът се индуцира, за да се противопостави на увеличаването на магнитния поток, така че в посока, обратна на външното поле. Това генерира променливо напрежение (тъй като индуцираната ЕМП се превключва всеки път, когато веригата се завърти на 180 градуса), и това може да се използва за генериране на променлив ток.

Вихровият ток е името на малките електрически токове, които се подчиняват на закона на Ленц. По-специално, обаче, това име се използва по отношение на малки, циклични токове в проводници, аналогични на вихрите, които виждате около греблата си, когато гребете във вода.

Когато проводник се движи през магнитно поле - например като метално махало, люлеещо се между полюсите на подковообразен магнит - индуцират се вихрови токове и в съответствие със закона на Ленц те противодействат на ефекта на движение. Това води до магнитно затихване (тъй като индуцираното поле задължително работисрещудвижението, което го е създало), което може да се използва продуктивно в неща като магнитни спирачни системи за влакчета с влакчета, но това е причина за загуба на енергия за устройства като генератори и трансформатори.

Когато вихровите токове трябва да бъдат намалени, проводникът е разделен на множество секции чрез тънки изолационни слоеве, които ограничават размера на вихровите токове и намаляват загубите на енергия. Тъй като обаче вихровите течения са необходимо следствие от законите на Фарадей и Ленц, те не могат да бъдат напълно предотвратени.