Heinrich Lenz (également appelé Emil Lenz) était un physicien balto-allemand qui n'a peut-être pas la renommée de certains de ses premiers des pairs du XIXe siècle comme Michael Faraday, mais qui ont tout de même contribué à résoudre les mystères de électromagnétisme.
Alors que certains de ses pairs faisaient des découvertes similaires, le nom de Lenz a été donné àLa loi de Lenz en grande partie à cause de sa prise de notes méticuleuse, de la documentation complète de ses expériences et de son dévouement à la méthode scientifiquerare pour l'époque. La loi elle-même constitue une partie importante deLa loi de Faraday de l'induction électromagnétique, et vous indique spécifiquement ledirectiondans lequel circule le courant induit.
La loi peut être difficile à comprendre au début, mais une fois que vous aurez compris le concept clé, vous serez bien sur votre chemin vers une compréhension beaucoup plus approfondie de l'électromagnétisme, y compris des problèmes pratiques comme le problème des tourbillons courants.
La loi de Faraday
La loi d'induction de Faraday stipule que l'induitforce électromotrice(EMF, communément appelé "tension") dans une bobine de fil (ou simplement, autour d'une boucle) est moins le taux de variation du flux magnétique à travers cette boucle. Mathématiquement, et en remplaçant la dérivée par un « changement de » plus simple (représenté par ∆), la loi énonce :
\text{CEM induit} = −N \frac{∆ϕ}{∆t}
Oùtc'est le temps,Nest le nombre de tours dans la bobine de fil et phi (ϕ) est le flux magnétique. La définition du flux magnétique est assez importante pour cette équation, il convient donc de se rappeler que c'est :
ϕ = \bm{B ∙ A} = BA \cos (θ)
qui concerne la force du champ magnétique,B, à l'aire de la boucleUNE, et l'angle entre la boucle et le champ (θ), avec l'angle de boucle défini comme perpendiculaire à la zone (c'est-à-dire pointant directement hors de la boucle). Étant donné que l'équation implique cos, il est à la valeur maximale lorsque le champ est directement aligné avec la boucle et à 0 lorsqu'il est perpendiculaire à la boucle (c'est-à-dire « side-on »).
Prises ensemble, ces équations montrent que vous pouvez créer une CEM dans une bobine de fil en modifiant la section transversaleUNE, la force du champ magnétiqueB, ou l'angle entre la zone et le champ magnétique. L'amplitude de la CEM induite est directement proportionnelle au taux de changement de ces quantités, et bien sûr, il n'est pas nécessaire que ce soit l'une de celles-ci pour induire la CEM.
La loi de Faraday a été utilisée par James Clerk Maxwell comme l'une de ses quatre lois de l'électromagnétisme, bien qu'elle soit généralement exprimée comme l'intégrale de ligne de le champ magnétique autour d'une boucle fermée (ce qui est essentiellement une autre façon de dire la CEM induite) et le taux de changement est exprimé comme un dérivé.
La loi de Lenz
La loi de Lenz est encapsulée dans la loi de Faraday car elle nous indique la direction dans laquelle le courant électrique induit circule. La façon la plus simple d'énoncer la loi de Lenz est que les changements de flux magnétique induisent des courants dans une direction quis'oppose le changementqui l'a causé.
En d'autres termes, parce que lorsque le courant circule, il génère son propre champ magnétique, la direction du courant induit est tel que le nouveau champ magnétique est dans une direction opposée aux changements de flux qui l'a créé. C'est encapsulé dans la loi de Faraday à cause du signe négatif; cela vous indique que la CEM induite s'oppose au changement initial du flux magnétique.
Pour un exemple simple, imaginez une bobine de fil avec un champ magnétique externe pointant directement dedans du côté droit (c'est-à-dire dans le centre de la bobine et avec les lignes de champ pointant vers la gauche), et le champ externe augmentant alors en amplitude mais en maintenant la même direction. Dans ce cas, le courant induit dans le fil circulera de manière à produire un champ magnétique pointant de la bobine vers la droite.
Si le champ externe diminuait en amplitude à la place, le courant induit circulerait de manière à produire un champ magnétique dans la même direction que le champ d'origine, car il contrecarrerait le fluxchangementsplutôt que de simplement s'opposer au terrain. Puisqu'ilcontrecarre le changement et pas nécessairement la direction, cela signifie qu'il crée parfois un champ dans la direction opposée et parfois dans la même direction.
Vous pouvez utiliser la règle de la main droite (parfois appelée règle de la main droite pour la distinguer de l'autre règle de droite utilisée en physique) pour déterminer la direction de l'électricité résultante actuel. La règle est assez simple à appliquer: déterminer la direction du champ magnétique créé par le courant et pointez le pouce de votre main droite dans cette direction, puis repliez vos doigts vers l'intérieur. La direction dans laquelle vos doigts s'enroulent est la direction dans laquelle le courant circule à travers la bobine de fil.
Exemples de la loi de Lenz
Quelques exemples concrets de la façon dont la loi de Lenz fonctionne dans la pratique aideront à cimenter les concepts, et le le plus simple est très similaire à l'exemple ci-dessus: une bobine de fil entrant ou sortant d'un champ magnétique. Au fur et à mesure que la boucle se déplace dans le champ, le flux magnétique à travers la boucle augmentera (dans la direction opposée au mouvement de la bobine), induisant un courant qui s'oppose au taux de changement de flux, et crée ainsi un champ magnétique dans la direction de son mouvement.
Si la bobine se déplace vers vous, la règle de droite et la loi de Lenz montrent que le courant circulerait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Si la bobine bougeaiten dehorsdu champ, le flux magnétique changeant serait essentiellement une réduction progressive au lieu d'une augmentation, de sorte que le courant exactement opposé serait induit.
Cette situation est analogue au déplacement d'un aimant en barre vers ou hors du centre d'une bobine, car lors du déplacement de l'aimant, le champ serait devenant plus fort et le champ magnétique induit fonctionnerait pour s'opposer au mouvement de l'aimant, donc, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre du point de vue de la aimant. En sortant du centre de la bobine de fil, le flux magnétique diminuerait et le champ magnétique induit le champ fonctionnerait à nouveau pour s'opposer au mouvement de l'aimant, cette fois dans le sens des aiguilles d'une montre du point de vue de l'aimant.
Un exemple plus compliqué implique une bobine de fil tournant dans un champ magnétique fixe, car à mesure que l'angle change, le flux à travers la boucle le ferait également. Lors de la diminution du flux, le courant électrique induit créerait un champ magnétique pour s'opposer aux changements de flux, il serait donc dans le même sens que le champ externe. Lors de l'augmentation du flux, c'est l'inverse qui se produit et le courant est induit pour s'opposer à l'augmentation du flux magnétique, donc dans le sens inverse du champ extérieur. Cela génère une tension alternative (parce que la CEM induite commute à chaque fois que la boucle tourne à 180 degrés), et cela peut être utilisé pour générer un courant alternatif.
La loi de Lenz et les courants de Foucault
Un courant de Foucault est le nom des petits courants électriques qui obéissent à la loi de Lenz. En particulier, cependant, ce nom est utilisé en référence à de petits courants en boucle dans des conducteurs analogues aux tourbillons que vous voyez autour de vos rames lorsque vous ramez dans l'eau.
Lorsqu'un conducteur est déplacé à travers un champ magnétique - par exemple, comme un pendule métallique oscillant entre les pôles de un aimant en fer à cheval - des courants de Foucault sont induits et, conformément à la loi de Lenz, ils neutralisent l'effet de la mouvement. Cela conduit à un amortissement magnétique (car le champ induit fonctionne nécessairementcontrele mouvement qui l'a créé), qui peut être utilisé de manière productive dans des choses comme les systèmes de freinage magnétique pour les montagnes russes, mais c'est une cause de gaspillage d'énergie pour des appareils comme les générateurs et les transformateurs.
Lorsque les courants de Foucault doivent être réduits, le conducteur est séparé en plusieurs sections par de fines couches isolantes, qui limitent la taille des courants de Foucault et réduisent les pertes d'énergie. Cependant, étant donné que les courants de Foucault sont une conséquence nécessaire des lois de Faraday et de Lenz, ils ne peuvent pas être entièrement évités.
