Ο Heinrich Lenz (επίσης αναφερόμενος ως Emil Lenz) ήταν ένας Βαλτικός-Γερμανός φυσικός που μπορεί να μην έχει τη φήμη κάποιων από τα πρώτα του Ομότιμοι του 19ου αιώνα, όπως ο Michael Faraday, αλλά που συνέβαλαν ακόμα ένα βασικό κομμάτι στην επίλυση των μυστηρίων του ηλεκτρομαγνητισμός.
Ενώ μερικοί από τους συναδέλφους του έκαναν παρόμοιες ανακαλύψεις, δόθηκε το όνομα του LenzΟ νόμος του Λεντς σε μεγάλο βαθμό λόγω της επιμελούς σημείωσής του, της πλήρους τεκμηρίωσης των πειραμάτων του και της αφοσίωσης στην επιστημονική μέθοδοασυνήθιστο για την ώρα. Ο ίδιος ο νόμος αποτελεί σημαντικό μέρος τουΟ νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday, και σας λέει συγκεκριμένα τοκατεύθυνσηστο οποίο ρέει το επαγόμενο ρεύμα.
Ο νόμος μπορεί να είναι δύσκολο να ξεπεράσεις το κεφάλι σου στην αρχή, αλλά μόλις καταλάβεις τη βασική ιδέα, θα είσαι καλά το δρόμο σας για μια πολύ βαθύτερη κατανόηση του ηλεκτρομαγνητισμού, συμπεριλαμβανομένων πρακτικών ζητημάτων όπως το πρόβλημα του eddy ρεύματα.
Ο νόμος του Faraday
Ο νόμος περί επαγωγής του Faraday δηλώνει ότι ο επαγόμενοςηλεκτροκινητική δύναμη(EMF, που συνήθως αναφέρεται ως «τάση») σε ένα πηνίο σύρματος (ή απλά, γύρω από έναν βρόχο) είναι μείον ο ρυθμός μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσω αυτού του βρόχου. Μαθηματικά, και αντικαθιστώντας το παράγωγο με μια απλούστερη «αλλαγή στο» (που αντιπροσωπεύεται από Δ), ο νόμος αναφέρει:
\ text {induced EMF} = −N \ frac {Δϕ} {Δt}
Οπουτείναι ώρα,Νείναι ο αριθμός στροφών στο πηνίο του καλωδίου και το phi (ϕ) είναι η μαγνητική ροή. Ο ορισμός της μαγνητικής ροής είναι πολύ σημαντικός σε αυτήν την εξίσωση, οπότε αξίζει να θυμόμαστε ότι είναι:
ϕ = \ bm {B ∙ A} = BA \ cos (θ)
που σχετίζεται με την ισχύ του μαγνητικού πεδίου,σι, στην περιοχή του βρόχουΕΝΑκαι τη γωνία μεταξύ του βρόχου και του πεδίου (θ), με τη γωνία βρόχου να ορίζεται ως κάθετη προς την περιοχή (δηλαδή, να δείχνει κατευθείαν έξω από το βρόχο). Δεδομένου ότι η εξίσωση περιλαμβάνει cos, είναι στη μέγιστη τιμή όταν το πεδίο ευθυγραμμίζεται άμεσα με τον βρόχο και στο 0 όταν είναι κάθετο στον βρόχο (δηλαδή, "side-on").
Συνολικά, αυτές οι εξισώσεις δείχνουν ότι μπορείτε να δημιουργήσετε ένα EMF σε ένα πηνίο σύρματος αλλάζοντας την περιοχή διατομήςΕΝΑ, η ισχύς του μαγνητικού πεδίουσιή τη γωνία μεταξύ της περιοχής και του μαγνητικού πεδίου. Το μέγεθος του επαγόμενου EMF είναι άμεσα ανάλογο με το ρυθμό αλλαγής αυτών των ποσοτήτων και φυσικά δεν χρειάζεται να είναι απλώς μία από αυτές τις αλλαγές για να προκαλέσει το EMF.
Ο νόμος του Faraday χρησιμοποιήθηκε από τον James Clerk Maxwell ως έναν από τους τέσσερις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού, αν και συνήθως εκφράζεται ως η αναπόσπαστη γραμμή του το μαγνητικό πεδίο γύρω από έναν κλειστό βρόχο (που ουσιαστικά είναι ένας άλλος τρόπος για να πούμε το επαγόμενο EMF) και ο ρυθμός αλλαγής εκφράζεται ως παράγωγο.
Ο νόμος του Λεντς
Ο νόμος του Lenz ενσωματώνεται στον νόμο του Faraday επειδή μας λέει την κατεύθυνση στην οποία ρέει το επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Ο απλούστερος τρόπος για να δηλώσετε τον νόμο του Lenz είναι ότι οι αλλαγές στη μαγνητική ροή προκαλούν ρεύματα σε μια κατεύθυνση πουαντιτίθεται η αλλαγήπου το προκάλεσε.
Με άλλα λόγια, επειδή όταν το ρεύμα ρέει δημιουργεί το δικό του μαγνητικό πεδίο, την κατεύθυνση του Το επαγόμενο ρεύμα είναι τέτοιο ώστε το νέο μαγνητικό πεδίο να βρίσκεται σε αντίθετη κατεύθυνση με τη ροή που αλλάζει το δημιούργησε. Περιβάλλεται από το νόμο του Faraday λόγω του αρνητικού σημείου. Αυτό σας λέει ότι το επαγόμενο EMF αντιτίθεται στην αρχική αλλαγή στη μαγνητική ροή.
Για ένα απλό παράδειγμα, φανταστείτε ένα πηνίο σύρματος με εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που δείχνει κατευθείαν σε αυτό από τη δεξιά πλευρά (δηλαδή, στο κέντρο του πηνίου και με τις γραμμές πεδίου που δείχνουν προς τα αριστερά), και το εξωτερικό πεδίο αυξάνεται στη συνέχεια σε μέγεθος αλλά διατηρώντας το ίδιο κατεύθυνση. Σε αυτήν την περίπτωση, το επαγόμενο ρεύμα στο σύρμα θα ρέει έτσι ώστε να παράγει ένα μαγνητικό πεδίο που δείχνει προς τα έξω από το πηνίο.
Αν το εξωτερικό πεδίο μειώθηκε σε μέγεθος αντ 'αυτού, το επαγόμενο ρεύμα θα ρέει έτσι ώστε να παράγει ένα μαγνητικό πεδίο στην ίδια κατεύθυνση με το αρχικό πεδίο, επειδή αντισταθμίζει τη ροήαλλαγέςαντί να αντιτίθεται απλώς στο πεδίο. Από τότε που αυτόεξουδετερώνει την αλλαγή και όχι απαραίτητα την κατεύθυνση, αυτό σημαίνει ότι δημιουργεί μερικές φορές ένα πεδίο στην αντίθετη κατεύθυνση και μερικές φορές στην ίδια κατεύθυνση.
Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον κανόνα δεξιού χεριού (μερικές φορές ονομάζεται κανόνας λαβής δεξιού για να τον ξεχωρίσετε τον άλλο δεξιό κανόνα που χρησιμοποιείται στη φυσική) για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού ρεύματος που προκύπτει ρεύμα. Ο κανόνας είναι αρκετά εύκολο να εφαρμοστεί: επεξεργαστείτε την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από το επαγόμενο τρέξτε και στρέψτε τον αντίχειρα του δεξιού σας χεριού προς αυτή την κατεύθυνση και, στη συνέχεια, κυρτώ τα δάχτυλά σας προς τα μέσα. Η κατεύθυνση που κατσαρώνουν τα δάχτυλά σας είναι η κατεύθυνση που ρέει το ρεύμα μέσω του πηνίου του καλωδίου.
Παραδείγματα του νόμου του Lenz
Μερικά συγκεκριμένα παραδείγματα του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί ο νόμος του Lenz στην πράξη θα συμβάλουν στην παγίωση των εννοιών και του Το απλούστερο είναι πολύ παρόμοιο με το παραπάνω παράδειγμα: ένα πηνίο σύρματος που κινείται μέσα ή έξω από ένα μαγνητικό πεδίο. Καθώς ο βρόχος κινείται στο πεδίο, η μαγνητική ροή μέσω του βρόχου θα αυξηθεί (στην αντίθετη κατεύθυνση προς την κίνηση του πηνίο), προκαλώντας ένα ρεύμα που αντιτίθεται στον ρυθμό μεταβολής της ροής, και έτσι δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο προς την κατεύθυνση του κίνηση.
Εάν το πηνίο κινείται προς εσάς, ο δεξί κανόνας και ο νόμος του Lenz δείχνουν ότι το ρεύμα θα ρέει προς την αριστερόστροφη κατεύθυνση. Εάν το πηνίο κινείταιέξωτου πεδίου, η μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή θα ήταν βασικά μια σταδιακή μείωση αντί για μια αύξηση, έτσι θα προκληθεί το ακριβώς αντίθετο ρεύμα.
Αυτή η κατάσταση είναι ανάλογη με τη μετακίνηση ενός μαγνήτη ράβδου μέσα ή έξω από το κέντρο ενός πηνίου, επειδή όταν μετακινείτε τον μαγνήτη μέσα, το πεδίο θα είναι όλο και πιο ισχυρό και το επαγόμενο μαγνητικό πεδίο θα λειτουργούσε για να αντισταθεί στην κίνηση του μαγνήτη, έτσι, αριστερόστροφα από την προοπτική του μαγνήτης. Όταν κινείται έξω από το κέντρο του πηνίου του σύρματος, η μαγνητική ροή θα μειώνεται και η επαγόμενη μαγνητική Το πεδίο θα λειτουργούσε πάλι για να αντισταθεί στην κίνηση του μαγνήτη, αυτή τη φορά δεξιόστροφα από την προοπτική του μαγνήτη.
Ένα πιο περίπλοκο παράδειγμα περιλαμβάνει ένα πηνίο σύρματος που περιστρέφεται σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, επειδή καθώς η γωνία αλλάζει, η ροή μέσω του βρόχου θα μπορούσε επίσης. Κατά τη διάρκεια της μείωσης της ροής, το επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα θα δημιουργούσε ένα μαγνητικό πεδίο για να αντισταθεί στις αλλαγές της ροής, έτσι θα ήταν στην ίδια κατεύθυνση με το εξωτερικό πεδίο. Κατά τη διάρκεια της αύξησης της ροής, συμβαίνει το αντίθετο και το ρεύμα προκαλείται να αντιταχθεί στην αύξηση της μαγνητικής ροής, έτσι στην αντίθετη κατεύθυνση προς το εξωτερικό πεδίο. Αυτό δημιουργεί εναλλασσόμενη τάση (επειδή το επαγόμενο EMF αλλάζει κάθε φορά που ο βρόχος περιστρέφεται κατά 180 μοίρες) και αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος.
Lenz's Law και Eddy Currents
Ένα ρεύμα eddy είναι το όνομα για τα μικρά ηλεκτρικά ρεύματα που υπακούουν στο νόμο του Lenz. Συγκεκριμένα, ωστόσο, αυτό το όνομα χρησιμοποιείται σε σχέση με μικρά ρεύματα βρόχου σε αγωγούς ανάλογους με τις στροφές που βλέπετε γύρω από τα κουπιά σας όταν κωπηλατείτε στο νερό.
Όταν ένας αγωγός κινείται μέσω ενός μαγνητικού πεδίου - για παράδειγμα, σαν ένα μεταλλικό εκκρεμές που αιωρείται μεταξύ των πόλων του ένας μαγνήτης πέταλου - προκαλούνται ρεύματα ρινίδος και σύμφωνα με τον νόμο του Lenz, αυτά εξουδετερώνουν την επίδραση του κίνηση. Αυτό οδηγεί σε μαγνητική απόσβεση (καθώς το επαγόμενο πεδίο λειτουργεί απαραίτητακατάη κίνηση που το δημιούργησε), η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί παραγωγικά σε πράγματα όπως μαγνητικά συστήματα πέδησης για κυλινδρικά σουβέρ, αλλά είναι αιτία σπατάλης ενέργειας για συσκευές όπως γεννήτριες και μετασχηματιστές.
Όταν πρέπει να μειωθούν τα ρεύματα του ίντι, ο αγωγός διαχωρίζεται σε πολλά τμήματα με λεπτά μονωτικά στρώματα, τα οποία περιορίζουν το μέγεθος των ρευμάτων ρεύματος και μειώνουν την απώλεια ενέργειας. Ωστόσο, δεδομένου ότι τα ρεύματα Eddy είναι απαραίτητη συνέπεια των νόμων του Faraday και του Lenz, δεν μπορούν να αποφευχθούν πλήρως.