Heinrich Lenz (auch Emil Lenz genannt) war ein baltisch-deutscher Physiker, der vielleicht nicht den Ruhm einiger seiner frühen hatte Kollegen aus dem 19. Jahrhundert wie Michael Faraday, der aber immer noch einen wichtigen Beitrag zur Lösung der Geheimnisse von. leistete Elektromagnetismus.
Während einige seiner Kollegen ähnliche Entdeckungen machten, erhielt Lenz den NamenLenzsches Gesetz nicht zuletzt wegen seiner peniblen Notizen, der umfassenden Dokumentation seiner Experimente und seiner Hingabe an die wissenschaftliche Methodeungewöhnlich für die Zeit. Das Gesetz selbst ist ein wichtiger Bestandteil vonFaradaysches Gesetz der elektromagnetischen Induktion, und sagt Ihnen speziell dieRichtungin dem der induzierte Strom fließt.
Das Gesetz mag anfangs schwer zu verstehen sein, aber wenn Sie das Schlüsselkonzept verstanden haben, sind Sie gut dran Ihr Weg zu einem viel tieferen Verständnis des Elektromagnetismus, einschließlich praktischer Fragen wie dem Problem des Wirbels Ströme.
Faradaysches Gesetz
Das Faradaysche Induktionsgesetz besagt, dass das induzierteelektromotorische Kraft(EMF, allgemein als „Spannung“ bezeichnet) in einer Drahtspule (oder einfach um eine Schleife) ist minus der Änderungsrate des Magnetflusses durch diese Schleife. Mathematisch und durch Ersetzen der Ableitung durch eine einfachere „Änderung in“ (dargestellt durch ∆) lautet das Gesetz:
\text{induzierte EMF} = −N \frac{∆ϕ}{∆t}
Wotist an der Zeit,Neinist die Anzahl der Windungen in der Drahtspule und phi (ϕ) ist der magnetische Fluss. Die Definition des magnetischen Flusses ist für diese Gleichung ziemlich wichtig, daher sollten Sie sich daran erinnern, dass es sich um Folgendes handelt:
ϕ = \bm{B ∙ A} = BA \cos(θ)
das bezieht sich auf die Stärke des Magnetfeldes,B, zum Bereich der SchleifeEIN, und der Winkel zwischen Schleife und Feld (θ), wobei der Schleifenwinkel als senkrecht zur Fläche definiert ist (d. h. gerade aus der Schleife zeigend). Da die Gleichung cos beinhaltet, hat sie den maximalen Wert, wenn das Feld direkt an der Schleife ausgerichtet ist, und 0, wenn es senkrecht zur Schleife steht (d. h. „seitlich“).
Zusammengenommen zeigen diese Gleichungen, dass Sie eine EMF in einer Drahtspule erzeugen können, indem Sie die Querschnittsfläche ändernEIN, die Stärke des MagnetfeldesB, oder der Winkel zwischen der Fläche und dem Magnetfeld. Die Größe der induzierten EMF ist direkt proportional zur Änderungsrate dieser Größen, und natürlich muss es nicht nur eine dieser Veränderungen sein, um die EMF zu induzieren.
Das Faradaysche Gesetz wurde von James Clerk Maxwell als eines seiner vier Gesetze des Elektromagnetismus verwendet, obwohl es normalerweise als Linienintegral von. ausgedrückt wird das Magnetfeld um eine geschlossene Schleife (was im Wesentlichen eine andere Art ist, die induzierte EMF auszudrücken) und die Änderungsrate wird als a ausgedrückt Derivat.
Lenz’sches Gesetz
Das Gesetz von Lenz ist im Faradayschen Gesetz zusammengefasst, weil es uns die Richtung angibt, in die der induzierte elektrische Strom fließt. Der einfachste Weg, das Lenzsche Gesetz zu formulieren, ist, dass Änderungen des magnetischen Flusses Ströme in eine Richtung induzieren, dieist dagegen der Wechseldas hat es verursacht.
Mit anderen Worten, denn wenn Strom fließt, erzeugt er sein eigenes Magnetfeld, die Richtung des induzierter Strom ist so, dass das neue Magnetfeld in einer entgegengesetzten Richtung zu den Flussänderungen ist, die es erstellt. Es ist aufgrund des negativen Vorzeichens im Faradayschen Gesetz enthalten; Dies sagt Ihnen, dass die induzierte EMF der ursprünglichen Änderung des magnetischen Flusses entgegenwirkt.
Stellen Sie sich als einfaches Beispiel eine Drahtspule vor, in die ein äußeres Magnetfeld von rechts direkt hinein gerichtet ist (d. h. in die Spulenmitte und Feldlinien nach links zeigend) und das äußere Feld nimmt dann betragsmäßig zu, bleibt aber gleich Richtung. In diesem Fall fließt der induzierte Strom im Draht, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das nach rechts aus der Spule zeigt.
Wenn das externe Feld stattdessen in der Größe abnimmt, würde der induzierte Strom so fließen, dass ein Magnetfeld in der gleichen Richtung wie das ursprüngliche Feld erzeugt wird, da es dem Fluss entgegenwirktÄnderungenanstatt einfach gegen das Feld zu kämpfen. Seit eswirkt der Veränderung entgegen und nicht unbedingt der Richtung, das heißt, es erzeugt manchmal ein Feld in die entgegengesetzte Richtung und manchmal in die gleiche Richtung.
Sie können die Regel für die rechte Hand (manchmal auch als Regel für den rechten Griff bezeichnet) verwenden, um sie von zu unterscheiden die andere physikalische Regel der rechten Hand), um die Richtung der resultierenden elektrischen zu bestimmen Strom. Die Regel ist ganz einfach anzuwenden: Berechnen Sie die Richtung des Magnetfeldes, das durch die induzierten Strom und zeigen Sie mit dem Daumen Ihrer rechten Hand in diese Richtung und krümmen Sie dann Ihre Finger nach innen. Die Richtung, in die sich Ihre Finger krümmen, ist die Richtung, in der der Strom durch die Drahtspule fließt.
Beispiele für das Lenzsche Gesetz
Einige konkrete Beispiele für die praktische Wirkungsweise des Lenzschen Gesetzes werden helfen, die Konzepte zu festigen, und die einfachste ist dem obigen Beispiel sehr ähnlich: eine Drahtspule, die sich in oder aus einem Magnetfeld bewegt. Wenn sich die Schleife in das Feld bewegt, nimmt der magnetische Fluss durch die Schleife zu (in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung des Spule), induziert einen Strom, der der Änderungsrate des Flusses entgegenwirkt, und erzeugt so ein Magnetfeld in Richtung seiner Bewegung.
Wenn sich die Spule auf Sie zubewegt, zeigen die Rechte-Hand-Regel und das Lenz-Gesetz, dass der Strom gegen den Uhrzeigersinn fließen würde. Wenn sich die Spule bewegteausdes Feldes wäre der sich ändernde magnetische Fluss im Grunde eine allmähliche Verringerung statt einer Zunahme, sodass genau der entgegengesetzte Strom induziert würde.
Diese Situation ist analog zum Bewegen eines Stabmagneten in oder aus der Mitte einer Spule, da beim Hineinbewegen des Magneten das Feld stärker und das induzierte Magnetfeld würde der Bewegung des Magneten entgegenwirken, also aus der Sicht des gegen den Uhrzeigersinn Magnet. Wenn man sich aus der Mitte der Drahtspule herausbewegt, würde der magnetische Fluss abnehmen und die induzierte magnetische Feld würde wieder der Bewegung des Magneten entgegenwirken, diesmal im Uhrzeigersinn aus der Perspektive des Magneten.
Ein komplizierteres Beispiel beinhaltet eine Drahtspule, die sich in einem festen Magnetfeld dreht, denn wenn sich der Winkel ändert, würde sich auch der Fluss durch die Schleife ändern. Während der Flussabnahme würde der induzierte elektrische Strom ein Magnetfeld erzeugen, um den Flussänderungen entgegenzuwirken, also in die gleiche Richtung wie das externe Feld. Während der Zunahme des Flusses geschieht das Gegenteil und der Strom wird induziert, um der Zunahme des magnetischen Flusses entgegenzuwirken, also in die entgegengesetzte Richtung zum äußeren Feld. Dadurch wird eine Wechselspannung erzeugt (da die induzierte EMF jedes Mal umschaltet, wenn sich die Schleife um 180 Grad dreht), und diese kann zur Erzeugung von Wechselstrom verwendet werden.
Lenz’sches Gesetz und Wirbelströme
Als Wirbelstrom werden die kleinen elektrischen Ströme bezeichnet, die dem Lenz’schen Gesetz gehorchen. Dieser Name wird jedoch insbesondere in Bezug auf kleine, schleifende Ströme in Leitern verwendet, analog zu den Wirbeln, die Sie beim Rudern im Wasser um Ihre Ruder herum sehen.
Wenn ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird – zum Beispiel wie ein Metallpendel, das zwischen den Polen eines einem Hufeisenmagneten – es werden Wirbelströme induziert, die nach dem Lenz’schen Gesetz der Wirkung des Bewegung. Dies führt zu einer magnetischen Dämpfung (da das induzierte Feld zwangsläufig funktioniertgegendie Bewegung, die sie geschaffen hat), die in Dingen wie magnetischen Bremssystemen produktiv eingesetzt werden kann für Achterbahnen, aber es ist eine Ursache für Energieverschwendung für Geräte wie Generatoren und Transformatoren.
Wenn Wirbelströme reduziert werden müssen, wird der Leiter durch dünne Isolierschichten in mehrere Abschnitte unterteilt, die die Größe der Wirbelströme begrenzen und den Energieverlust reduzieren. Da Wirbelströme jedoch eine notwendige Folge der Faradayschen und Lenzschen Gesetze sind, können sie nicht vollständig verhindert werden.