Definice, rovnice a příklady podle Lenzova zákona (fyzika)

Heinrich Lenz (označovaný také jako Emil Lenz) byl pobaltsko-německý fyzik, který možná neměl slávu některých svých raných Rovesníci z 19. století jako Michael Faraday, kteří však stále přispěli klíčovým dílem k vyřešení záhad elektromagnetismus.

Zatímco někteří jeho kolegové prováděli podobné objevy, dostalo se Lenzovo jménoLenzův zákon​ ​z velké části kvůli jeho náročnému psaní poznámek, komplexní dokumentaci jeho experimentů a oddanosti vědecké metoděna tu dobu neobvyklé. Samotný zákon tvoří důležitou součástFaradayův zákon elektromagnetické indukcea konkrétně vám řeknesměrve kterém proudí indukovaný proud.

Ze zákona může být zpočátku obtížné se zorientovat, ale jakmile uchopíte klíčový koncept, budete v pořádku vaše cesta k mnohem hlubšímu porozumění elektromagnetismu, včetně praktických problémů, jako je problém víření proudy.

Faradayův zákon indukce uvádí, že indukovanýelektromotorická síla(EMF, běžně označované jako „napětí“) v cívce drátu (nebo jednoduše kolem smyčky) je mínus rychlost změny magnetického toku touto smyčkou. Matematicky a nahrazením derivace jednodušší „změnou“ (představovanou ∆) zákon stanoví:

Kdetje čas,Nje počet závitů v cívce drátu a phi (ϕ) je magnetický tok. Definice magnetického toku je pro tuto rovnici velmi důležitá, takže je třeba si uvědomit, že:

který souvisí se silou magnetického pole,B, do oblasti smyčkyAa úhel mezi smyčkou a polem (θ), přičemž úhel smyčky je definován jako kolmý na oblast (tj. směřující přímo ze smyčky). Protože rovnice zahrnuje cos, je na maximální hodnotě, když je pole přímo zarovnáno se smyčkou, a na 0, když je kolmé na smyčku (tj. „Z boku“).

Dohromady tyto rovnice ukazují, že můžete vytvořit EMF ve svitku drátu změnou průřezové plochyA, síla magnetického poleBnebo úhel mezi oblastí a magnetickým polem. Velikost indukovaného EMF je přímo úměrná rychlosti změny těchto veličin a pro indukci EMF to samozřejmě nemusí být jen jedna z těchto změn.

Faradayův zákon použil James Clerk Maxwell jako jeden ze svých čtyř zákonů elektromagnetismu, ačkoli je obvykle vyjádřen jako integrální přímka magnetické pole kolem uzavřené smyčky (což je v podstatě jiný způsob vyjádření indukovaného EMF) a rychlost změny je vyjádřena jako derivát.

Lenzův zákon je zapouzdřen ve Faradayově zákoně, protože nám říká, jakým směrem proudí indukovaný elektrický proud. Nejjednodušší způsob, jak uvést Lenzův zákon, je ten, že změny magnetického toku indukují proudy v tomto směruoponuje​ ​změnato to způsobilo.

Jinými slovy, protože když proud teče, generuje své vlastní magnetické pole, směr indukovaný proud je takový, že nové magnetické pole je v opačném směru, než který tok mění vytvořil to. Je to zapouzdřeno ve Faradayově zákoně kvůli negativnímu znaménku; to vám říká, že indukovaný EMF je proti původní změně magnetického toku.

Pro jednoduchý příklad si představte cívku drátu s vnějším magnetickým polem směřujícím přímo do ní z pravé strany (tj. Do střed cívky a siločáry směřující doleva) a vnější pole se poté zvětšuje, ale zachovává stejné směr. V tomto případě bude indukovaný proud ve vodiči proudit tak, aby vytvářel magnetické pole směřující ven z cívky doprava.

Pokud by se místo toho zmenšilo velikost vnějšího pole, proudil by indukovaný proud tak, aby vytvářel magnetické pole ve stejném směru jako původní pole, protože působí proti tokuZměnyspíše než jednoduše se postavit proti poli. Od tohopůsobí proti změně a nemusí nutně směřovat, To znamená, že někdy vytváří pole v opačném směru a někdy ve stejném směru.

K odlišení můžete použít pravidlo pro pravou ruku (někdy nazývané pravidlo pro pravou rukojeť) druhé pravidlo pravé ruky používané ve fyzice) k určení směru výsledného elektrického proud. Pravidlo je poměrně snadné: vypočítat směr magnetického pole vytvořeného indukovaným proud a nasměrujte palec pravé ruky v tomto směru a poté prsty ohněte dovnitř. Směr, kterým se vaše prsty vlní, je směr, kterým proud protéká cívkou drátu.

Některé konkrétní příklady toho, jak Lenzův zákon funguje v praxi, pomohou tyto pojmy upevnit a nejjednodušší je velmi podobný příkladu výše: cívka drátu pohybující se do nebo z magnetického pole. Jak se smyčka pohybuje do pole, magnetický tok smyčkou se zvýší (v opačném směru, než je pohyb smyčky) cívka), indukující proud, který odporuje rychlosti změny toku, a vytváří tak magnetické pole ve směru jeho pohyb.

Pokud se cívka pohybuje směrem k vám, pravidlo pravé ruky a Lenzův zákon ukazují, že proud by protékal proti směru hodinových ručiček. Pokud se cívka pohybovalavenpole by byl měnící se magnetický tok v podstatě postupným snižováním místo zvyšováním, takže by byl indukován přesně opačný proud.

Tato situace je analogická pohybu magnetu tyče do nebo ze středu cívky, protože při pohybu magnetu dovnitř by pole bylo zesílení a indukované magnetické pole by fungovalo proti pohybu magnetu, takže proti směru hodinových ručiček z pohledu magnet. Při pohybu ze středu cívky drátu by magnetický tok klesal a indukovaný magnetický pole by opět působilo proti pohybu magnetu, tentokrát ve směru hodinových ručiček z pohledu magnetu.

Složitější příklad zahrnuje cívku drátu otáčejícího se v pevném magnetickém poli, protože jak se mění úhel, také by procházel tok smyčkou. Během poklesu toku by indukovaný elektrický proud vytvářel magnetické pole, aby se postavil proti změnám toku, takže by byl ve stejném směru jako vnější pole. Během zvyšování toku dochází k opaku a proud je indukován, aby se postavil proti nárůstu magnetického toku, tedy v opačném směru k vnějšímu poli. Tím se generuje střídavé napětí (protože indukovaný EMF se přepíná pokaždé, když se smyčka otáčí o 180 stupňů), a to lze použít ke generování střídavého proudu.

Vířivý proud je název pro malé elektrické proudy, které se řídí Lenzovým zákonem. Zejména se však tento název používá v odkazu na malé smyčkové proudy ve vodičích analogické vírům, které vidíte kolem vesel při veslování ve vodě.

Když se vodič pohybuje magnetickým polem - například jako kovové kyvadlo houpající se mezi póly magnet podkovy - jsou vyvolávány vířivé proudy a v souladu s Lenzovým zákonem působí proti účinku pohyb. To vede k magnetickému tlumení (protože indukované pole nutně fungujeprotipohyb, který jej vytvořil), který lze produktivně využít například v magnetických brzdových systémech pro horské dráhy, ale je to příčina plýtvání energií pro zařízení, jako jsou generátory a transformátory.

Když je třeba omezit vířivé proudy, vodič je rozdělen na několik sekcí tenkými izolačními vrstvami, které omezují velikost vířivých proudů a snižují energetické ztráty. Jelikož jsou však vířivé proudy nezbytným důsledkem Faradayových a Lenzových zákonů, nelze jim zcela zabránit.