Lenzov zakon (fizika) Definicija, jednadžba i primjeri

Heinrich Lenz (također poznat i kao Emil Lenz) bio je baltičko-njemački fizičar koji možda nije imao slavu nekih svojih ranih Vršnjaci iz 19. stoljeća poput Michaela Faradaya, ali koji je i dalje pridonio ključnom djelu za rješavanje misterija elektromagnetizam.

Dok su neki od njegovih vršnjaka činili slična otkrića, Lenz je dobio imeLenzov zakon​ ​dobrim dijelom zbog njegovog previdnog bilježenja, sveobuhvatne dokumentacije o njegovim eksperimentima i predanosti znanstvenoj metodineobično za to vrijeme. Sam zakon čini važan dioFaradayev zakon elektromagnetske indukcije, i posebno vam govorismjeru kojem teče inducirana struja.

U početku vam je teško usmjeriti zakon, ali kad shvatite ključni koncept, bit ćete dobro svoj put do puno dubljeg razumijevanja elektromagnetizma, uključujući praktična pitanja poput problema s vrtlozima struje.

Faradayev zakon indukcije navodi da induciranielektromotorna sila(EMP, koji se obično naziva "napon") u zavojnici žice (ili jednostavno oko petlje) minus je brzina promjene magnetskog toka kroz tu petlju. Matematički, i zamjenjujući izvedenicu jednostavnijom „promjenom u“ (predstavljenom ∆), zakon kaže:

Gdjetje vrijeme,Nje broj zavoja u zavojnici žice i phi (ϕ) je magnetski tok. Definicija magnetskog toka prilično je važna za ovu jednadžbu, stoga vrijedi zapamtiti da je:

koji povezuje jakost magnetskog polja,B, na područje petljeA, i kut između petlje i polja (θ), s kutom petlje definiranim okomito na područje (tj. usmjereno ravno van petlje). Budući da jednadžba uključuje cos, to je maksimalna vrijednost kada je polje izravno poravnato s petljom, a na 0 kada je okomito na petlju (tj. "Bočno").

Zajedno, ove jednadžbe pokazuju da promjenom površine poprečnog presjeka možete stvoriti EMF u zavojnici žiceA, jakost magnetskog poljaB, ili kut između područja i magnetskog polja. Veličina induciranog EMF-a izravno je proporcionalna brzini promjene tih veličina, i naravno, ne mora se mijenjati samo jedna od njih da bi se inducirao EMF.

Faradayev zakon koristio je James Clerk Maxwell kao jedan od njegova četiri zakona elektromagnetizma, iako se obično izražava kao linijski integral magnetsko polje oko zatvorene petlje (što je u biti drugi način da se kaže inducirani EMF) i brzina promjene izražava se kao izvedenica.

Lenzov zakon ugrađen je u Faradayev zakon jer nam govori u kojem smjeru teče inducirana električna struja. Najjednostavniji način iznošenja Lenzovog zakona je da promjene magnetskog toka induciraju struje u smjeru kojisuprotstavlja se​ ​promjenato je uzrokovalo.

Drugim riječima, jer kada struja stvara vlastito magnetsko polje, smjer inducirana struja je takva da je novo magnetsko polje u smjeru suprotnom od promjena fluksa koji stvorio ga. Uključen je u Faradayev zakon zbog negativnog predznaka; ovo vam govori da se inducirani EMF protivi izvornoj promjeni magnetskog toka.

Za jednostavan primjer zamislite zavojnicu žice s vanjskim magnetskim poljem usmjerenim izravno u nju s desne strane (tj. U središte zavojnice i s linijama polja usmjerenim ulijevo), a vanjsko polje se tada povećavalo, ali zadržavajući isto smjer. U tom će slučaju inducirana struja u žici teći tako da stvara magnetsko polje usmjereno prema zavojnici udesno.

Ako bi se umjesto toga vanjsko polje smanjilo, inducirana struja tekla bi tako da stvara magnetsko polje u istom smjeru kao i izvorno polje, jer suprotstavlja tokpromjenenego se jednostavno suprotstavio terenu. Budući da jesuprotstavlja se promjeni, a ne nužno smjeru, to znači da ponekad stvara polje u suprotnom smjeru, a ponekad u istom smjeru.

Možete koristiti pravilo desne ruke (ponekad se naziva pravilom držanja desne ruke da biste ga razlikovali drugo pravilo desne ruke koje se koristi u fizici) za određivanje smjera nastalog električnog Trenutno. Pravilo je prilično jednostavno primijeniti: razraditi smjer magnetskog polja stvorenog induciranim struja i usmjerite palac desne ruke u tom smjeru, a zatim uvijte prste prema unutra. Smjer u kojem se vaši prsti uvijaju je smjer strujanja koji prolazi kroz zavojnicu žice.

Neki konkretni primjeri kako Lenzov zakon djeluje u praksi pomoći će cementiranju koncepata i najjednostavniji je vrlo sličan gornjem primjeru: zavojnica žice koja se kreće u ili izvan magnetskog polja. Kako se petlja pomiče u polje, magnetski tok kroz petlju će se povećavati (u suprotnom smjeru od gibanja zavojnica), inducirajući struju koja se suprotstavlja brzini promjene fluksa i tako stvara magnetsko polje u smjeru njegova pokret.

Ako se zavojnica kreće prema vama, pravilo desne strane i Lenzov zakon pokazuju da bi struja tekla u smjeru suprotnom od kazaljke na satu. Ako se zavojnica pomicalavanpolja, promjenjivi magnetski tok u osnovi bi bio postupno smanjenje umjesto povećanja, pa bi se inducirala upravo suprotna struja.

Ova je situacija analogna pomicanju šipkastog magneta u ili iz središta zavojnice, jer bi pri pomicanju magneta polje bilo jačanje i inducirano magnetsko polje djelovalo bi suprotstavljeno kretanju magneta, pa, suprotno od kazaljke na satu iz perspektive magnet. Prilikom pomicanja iz središta zavojnice žice, magnetski tok bi se smanjivao, a inducirani magnetski polje opet bi se suprotstavilo gibanju magneta, ovaj put u smjeru kazaljke na satu iz perspektive magneta.

Kompliciraniji primjer uključuje zavojnicu žice koja se rotira u fiksnom magnetskom polju, jer bi se promjenom kuta mijenjao i tok kroz petlju. Tijekom smanjenja fluksa, inducirana električna struja stvorila bi magnetsko polje koje se suprotstavlja promjenama fluksa, pa bi bilo u istom smjeru kao i vanjsko polje. Tijekom povećanja protoka događa se suprotno i inducira se struja koja se suprotstavlja povećanju magnetskog toka, dakle u suprotnom smjeru od vanjskog polja. To generira izmjenični napon (jer se inducirani EMF prebaci svaki put kad se petlja okrene za 180 stupnjeva), a to se može koristiti za generiranje izmjenične struje.

Vrtložna struja naziv je za male električne struje koje se pokoravaju Lenzovom zakonu. Međutim, posebno se ovaj naziv koristi u odnosu na male struje petlje u vodičima analogne vrtlozima koje vidite oko vesla kad veslate u vodi.

Kad se vodič pomiče kroz magnetsko polje - na primjer, poput metalnog njihala koje se ljulja između polova potkovica magnet - induciraju se vrtložne struje, a u skladu s Lenzovim zakonom, one djeluju suprotno učinku pokret. To dovodi do magnetskog prigušenja (jer inducirano polje nužno djelujeprotivkretanje koje ga je stvorilo), a koje se mogu produktivno koristiti u stvarima poput magnetskih sustava kočenja za tobogane, ali to je uzrok rasipanja energije za uređaje poput generatora i transformatora.

Kad treba smanjiti vrtložne struje, vodič se odvaja u više odsjeka tankim izolacijskim slojevima koji ograničavaju veličinu vrtložnih struja i smanjuju gubitak energije. Međutim, budući da su vrtložne struje nužna posljedica Faradayevih i Lenzovih zakona, ne mogu se u potpunosti spriječiti.