Lenzin lain (fysiikka) määritelmä, yhtälö ja esimerkkejä

Heinrich Lenz (kutsutaan myös nimellä Emil Lenz) oli baltisaksalainen fyysikko, jolla ei ehkä ole kuuluisuutta joistakin varhaisista 1800-luvun ikäisensä kuten Michael Faraday, mutta joka kuitenkin edisti avainkappaletta sen mysteerien ratkaisemisessa sähkömagneetti.

Vaikka jotkut hänen ikäisensä tekivät samanlaisia ​​löytöjä, Lenzin nimi annettiinLenzin laki​ ​suurelta osin hänen taitavan muistiinpanonsa, kokeidensa kattavan dokumentoinnin ja omistautumisen vuoksi tieteelliseen menetelmäänmelko harvinainen tuolloin. Laki itsessään on tärkeä osaFaradayn sähkömagneettisen induktion laki, ja kertoo sinullesuuntajossa indusoitu virta virtaa.

Lain voi olla vaikea päästä päähäsi aluksi, mutta kun ymmärrät avainkäsitteen, olet hyvin tiesi paljon syvempään sähkömagneettisuuden ymmärtämiseen, mukaan lukien käytännön kysymykset, kuten pyörrevirta virrat.

Faradayn induktiolakissa todetaan, että indusoitusähkömoottorin voima(EMF, jota yleensä kutsutaan "jännitteeksi") lankakelassa (tai yksinkertaisesti silmukan ympärillä) on vähennetty magneettivuon muutosnopeus kyseisen silmukan läpi. Matemaattisesti ja korvaamalla johdannainen yksinkertaisemmalla "muutoksella" (jota edustaa ∆), laissa todetaan:

Missäton aika,Non lankakelassa olevien kierrosten määrä ja phi (ϕ) on magneettivuo. Magneettivuon määritelmä on melko tärkeä tälle yhtälölle, joten on syytä muistaa, että se on:

joka kertoo magneettikentän voimakkuuden,B, silmukan alueelleAja silmukan ja kentän välinen kulma (θ), silmukakulma määritetään kohtisuoraksi pinta-alaan nähden (eli osoittaa suoraan silmukasta ulos). Koska yhtälö liittyy cos: iin, se on maksimiarvossa, kun kenttä on suoraan linjassa silmukan kanssa, ja 0: ssa, kun se on kohtisuorassa silmukkaan nähden (ts. "Sivussa").

Yhdistettynä nämä yhtälöt osoittavat, että voit luoda EMF: n lankakelaan muuttamalla poikkipinta-alaaA, magneettikentän voimakkuusB, tai alueen ja magneettikentän välinen kulma. Indusoidun EMF: n suuruus on suoraan verrannollinen näiden määrien muutosnopeuteen, eikä tietenkään tarvitse olla vain yksi näistä muutoksista EMF: n indusoimiseksi.

Faradayn lakia käytti James Clerk Maxwell yhtenä neljästä sähkömagneettilakistaan, vaikka se yleensä ilmaistaankin magneettikenttä suljetun silmukan ympärillä (mikä on olennaisesti toinen tapa sanoa indusoitu EMF) ja muutosnopeus ilmaistaan johdannainen.

Lenzin laki on koteloitu Faradayn lakiin, koska se kertoo meille suunnan, johon indusoitu sähkövirta virtaa. Yksinkertaisin tapa ilmaista Lenzin laki on, että magneettivuon muutokset indusoivat virtoja siihen suuntaanvastustaa​ ​muutosse aiheutti sen.

Toisin sanoen, koska kun virta virtaa, se tuottaa oman magneettikentän, suunta indusoitu virta on sellainen, että uusi magneettikenttä on vastakkaiseen suuntaan kuin virtaus muuttaa sitä loi sen. Se on sisällytetty Faradayn lakiin negatiivisen merkin takia; tämä kertoo sinulle, että indusoitu EMF vastustaa magneettivuon alkuperäistä muutosta.

Kuvittele yksinkertaisena esimerkkinä lankakäämi, jossa ulkoinen magneettikenttä osoittaa suoraan siihen oikealta puolelta (ts. kelan keskipiste ja vasemmalla osoittavat kenttäviivat), ja sitten ulkokentän suuruus kasvaa mutta pysyy samana suunta. Tällöin indusoitu virta langassa virtaa tuottamaan magneettikentän, joka osoittaa kelasta oikealle.

Jos ulkoinen kenttä sen sijaan pienenisi suuruudeltaan, indusoitu virta virtaisi tuottamaan magneettikentän samaan suuntaan kuin alkuperäinen kenttä, koska se vastustaa vuonmuutoksiapikemminkin kuin vastustaa kenttää. Koska sevastustaa muutosta eikä välttämättä suuntaa, tämä tarkoittaa, että se luo joskus kentän vastakkaiseen suuntaan ja joskus samaan suuntaan.

Voit käyttää oikeanpuoleista sääntöä (jota joskus kutsutaan oikeanpuoleisen käden säännöksi) sen erottamiseksi toinen oikean käden sääntö, jota käytetään fysiikassa) määrittämään saadun sähköisen suunnan nykyinen. Sääntöä on melko helppo soveltaa: selvitä indusoidun magneettikentän suunta ja osoita oikean kätesi peukalo siihen suuntaan ja käpristä sitten sormesi sisäänpäin. Suunta, jolla sormesi käpristyvät, on suunta, johon virta kulkee lankakelan läpi.

Joitakin konkreettisia esimerkkejä siitä, miten Lenzin laki toimii käytännössä, voidaan vahvistaa käsitteitä ja yksinkertaisin on hyvin samanlainen kuin yllä oleva esimerkki: lankakäämi liikkuu magneettikenttään tai sieltä pois. Kun silmukka liikkuu kenttään, silmukan läpi kulkeva magneettivuo kasvaa (vastakkaiseen suuntaan kela), indusoimalla virta, joka vastustaa vuon muutosnopeutta ja luo siten magneettikentän sen suuntaan liike.

Jos kela liikkuu sinua kohti, oikeanpuoleinen sääntö ja Lenzin laki osoittavat, että virta kulkisi vastapäivään. Jos kela liikkuisiuloskentän muuttuva magneettivuo olisi periaatteessa asteittainen pieneneminen kasvun sijasta, joten aiheutuisi täsmälleen päinvastainen virta.

Tämä tilanne on analoginen tangomagneetin siirtämisellä kelan keskelle tai pois siitä, koska magneettia liikuttaessa kenttä olisi vahvistuminen ja indusoitu magneettikenttä toimisi vastustamaan magneetin liikettä, joten vastapäivään magneetti. Kun siirrytään ulos langan kelan keskiosasta, magneettivuo pienenee ja indusoitu magneetti kenttä taas toimisi vastustamaan magneetin liikettä tällä kertaa myötäpäivään magneetin perspektiivistä.

Monimutkaisempi esimerkki liittyy lankakelaan, joka pyörii kiinteässä magneettikentässä, koska kulman muuttuessa myös silmukan läpi virtaava vuode. Vuoteen laskun aikana indusoitu sähkövirta loisi magneettikentän vastustamaan vuon muutoksia, joten se olisi samassa suunnassa kuin ulkoinen kenttä. Vuon kasvun aikana tapahtuu päinvastainen ja virta indusoidaan vastustamaan magneettivuon kasvua, siis vastakkaiseen suuntaan kuin ulkokenttä. Tämä tuottaa vaihtojännitteen (koska indusoitu EMF vaihtuu joka kerta, kun silmukka pyörii 180 astetta), ja sitä voidaan käyttää vaihtovirran tuottamiseen.

Pyörrevirta on nimi pienille sähkövirroille, jotka noudattavat Lenzin lakia. Tätä nimeä käytetään kuitenkin erityisesti viittaamaan pieniin, silmukointivirtoihin johtimissa, jotka ovat analogisia pyörteisiin, jotka näet airoidesi ympärillä soutuessasi vedessä.

Kun johtinta liikutetaan magneettikentän läpi - esimerkiksi kuin metallin heiluri, joka heiluu hevosenkenkämagneetti - pyörrevirrat indusoituvat, ja Lenzin lain mukaisesti nämä vastustavat liike. Tämä johtaa magneettiseen vaimennukseen (koska indusoitu kenttä välttämättä toimiivastaansen luonut liike), jota voidaan käyttää tuottavasti esimerkiksi magneettijarrujärjestelmissä rullaluistimille, mutta se aiheuttaa energian hukkaamista laitteille, kuten generaattoreille ja muuntajille.

Kun pyörrevirtoja on vähennettävä, johdin erotetaan useiksi osiksi ohuilla eristekerroksilla, jotka rajoittavat pyörrevirtojen kokoa ja vähentävät energiahäviötä. Koska pyörrevirrat ovat välttämätön seuraus Faradayn ja Lenzin laeille, niitä ei voida täysin estää.