Lenzs lov (fysik) definition, ligning og eksempler

Heinrich Lenz (også kaldet Emil Lenz) var en baltisk-tysk fysiker, der måske ikke har berømmelse for nogle af hans tidlige Jævnaldrende fra det 19. århundrede som Michael Faraday, men som stadig bidrog med et nøgleelement til at løse mysterierne om elektromagnetisme.

Mens nogle af hans jævnaldrende gjorde lignende opdagelser, blev Lenzs navn givet tilLenzs lov​ ​for en stor del på grund af hans hurtige notering, omfattende dokumentation af hans eksperimenter og en dedikation til den videnskabelige metodeualmindeligt for tiden. Selve loven udgør en vigtig del afFaradays lov om elektromagnetisk induktionog fortæller dig specifiktretninghvor den inducerede strøm strømmer.

Loven kan være svært at få hovedet på i starten, men når du først har forstået nøglekonceptet, har du det godt din vej til en meget dybere forståelse af elektromagnetisme, herunder praktiske spørgsmål som virvelproblemet strømme.

Faradays lov om induktion siger, at den induceredeElektromotorisk kraft(EMF, ofte benævnt "spænding") i en trådspole (eller simpelthen omkring en sløjfe) er minus hastigheden for ændring af magnetisk flux gennem denne sløjfe. Matematisk og erstatter afledningen med en enklere ”ændring i” (repræsenteret af ∆), loven siger:

Hvorter tid,Ner antallet af drejninger i trådspolen, og phi (ϕ) er den magnetiske flux. Definitionen af ​​magnetisk flux er ret vigtig for denne ligning, så det er værd at huske, at det er:

som relaterer styrken af ​​magnetfeltet,B, til området af sløjfenEN, og vinklen mellem sløjfen og feltet (θ) med sløjfevinklen defineret som vinkelret på området (dvs. peger lige ud af sløjfen). Da ligningen involverer cos, er den ved den maksimale værdi, når feltet er direkte justeret med sløjfen, og ved 0, når det er vinkelret på sløjfen (dvs. "side-on").

Samlet set viser disse ligninger, at du kan oprette en EMF i en trådspole ved at ændre tværsnitsarealetEN, styrken af ​​magnetfeltetBeller vinklen mellem området og magnetfeltet. Størrelsen af ​​den inducerede EMF er direkte proportional med ændringshastigheden for disse mængder, og selvfølgelig behøver det ikke bare at være en af ​​disse, der ændrer sig for at inducere EMF.

Faradays lov blev brugt af James Clerk Maxwell som en af ​​hans fire love om elektromagnetisme, skønt den normalt udtrykkes som linjens integral af magnetfeltet omkring en lukket sløjfe (som i det væsentlige er en anden måde at sige den inducerede EMF) og ændringshastigheden udtrykkes som en afledte.

Lenzs lov er indkapslet i Faradays lov, fordi den fortæller os i hvilken retning den inducerede elektriske strøm flyder. Den enkleste måde at fastslå Lenzs lov på er, at ændringer i magnetisk flux inducerer strømme i en retning, sommodsætter sig​ ​forandringendet forårsagede det.

Med andre ord, fordi når strømmen strømmer, genererer den sit eget magnetfelt, retningen af induceret strøm er sådan, at det nye magnetfelt er i en modsat retning af fluxændringerne, der skabte det. Det er indkapslet i Faradays lov på grund af det negative tegn; dette fortæller dig, at den inducerede EMF modsætter sig den oprindelige ændring i magnetisk flux.

For et simpelt eksempel, forestil dig en trådspole med et eksternt magnetfelt, der peger direkte ind i det fra højre side (dvs. ind i midten af ​​spolen og med feltlinjerne pegende til venstre), og det eksterne felt øges derefter i størrelse, men opretholder det samme retning. I dette tilfælde vil den inducerede strøm i ledningen flyde for at frembringe et magnetfelt, der peger ud af spolen til højre.

Hvis det eksterne felt i stedet faldt i størrelse, ville den inducerede strøm strømme for at producere et magnetfelt i samme retning som det oprindelige felt, fordi det modvirker fluxændringersnarere end blot at modsætte sig marken. Siden detmodvirker ændringen og ikke nødvendigvis retningen, betyder det, at det undertiden skaber et felt i den modsatte retning og nogle gange i samme retning.

Du kan bruge højrehåndsreglen (undertiden kaldet højregrebsreglen for at skelne den fra den anden højrehåndsregel, der anvendes i fysik) for at bestemme retningen for den resulterende elektriske nuværende. Reglen er ret let at anvende: udarbejd retningen af ​​magnetfeltet skabt af den inducerede strøm og peg tommelfingeren på din højre hånd i den retning, og krøl fingrene indad. Den retning, fingrene krøller i, er den retning, strømmen strømmer gennem trådspolen.

Nogle konkrete eksempler på, hvordan Lenzs lov fungerer i praksis, hjælper med at cementere begreberne og enkleste ligner meget eksemplet ovenfor: en trådspole, der bevæger sig ind i eller ud af et magnetfelt. Når sløjfen bevæger sig ind i marken, vil den magnetiske flux gennem sløjfen øges (i den modsatte retning af bevægelsen af spole), der inducerer en strøm, der modsætter hastigheden for ændring af fluxen og således skaber et magnetfelt i retning af dets bevægelse.

Hvis spolen bevæger sig mod dig, viser højrehåndsreglen og Lenzs lov, at strømmen ville strømme mod uret. Hvis spolen bevægede sigudaf feltet, ville den skiftende magnetiske flux grundlæggende være en gradvis reduktion i stedet for en stigning, så den nøjagtige modsatte strøm ville blive induceret.

Denne situation er analog med at flytte en stangmagnet ind i eller ud af midten af ​​en spole, for når marken flyttes ind, ville feltet være blive stærkere, og det inducerede magnetfelt vil arbejde for at modsætte sig magnetens bevægelse, så mod uret fra perspektivet af magnet. Når man bevæger sig ud af midten af ​​trådspolen, ville den magnetiske flux være faldende og den inducerede magnetiske felt igen ville arbejde for at modsætte sig magnetens bevægelse, denne gang med uret fra magnetens perspektiv.

Et mere kompliceret eksempel involverer en trådspole, der roterer i et fast magnetfelt, for når vinklen ændres, ville fluxen gennem sløjfen også. Under faldet i flux ville den inducerede elektriske strøm skabe et magnetfelt til at modsætte sig fluxændringerne, så det ville være i samme retning som det eksterne felt. Under stigningen i flux sker det modsatte, og strømmen induceres til at modsætte sig stigningen i magnetisk flux, så i den modsatte retning af det eksterne felt. Dette genererer en vekselspænding (fordi den inducerede EMF skifter hver gang sløjfen roterer 180 grader), og denne kan bruges til at generere vekselstrøm.

En hvirvelstrøm er navnet på de små elektriske strømme, der adlyder Lenzs lov. Især bruges dette navn dog med henvisning til små strømninger i ledere, der er analoge med de hvirvler, du ser omkring dine årer, når du ror i vand.

Når en leder bevæges gennem et magnetfelt - for eksempel som et metalpendul, der svinger mellem polerne på en hestesko-magnet - hvirvelstrømme induceres, og i overensstemmelse med Lenzs lov modvirker disse virkningen af bevægelse. Dette fører til magnetisk dæmpning (da det inducerede felt nødvendigvis fungerermodbevægelsen, der skabte den), som kan bruges produktivt i ting som magnetiske bremsesystemer til rutsjebaner, men det er en årsag til spildt energi til enheder som generatorer og transformere.

Når hvirvelstrømme skal reduceres, adskilles lederen i flere sektioner af tynde isolerende lag, som begrænser hvirvelstrømmenes størrelse og reducerer energitabet. Da hvirvelstrømme er en nødvendig konsekvens af Faradays og Lenzs love, kan de imidlertid ikke helt forhindres.