Heinrich Lenz (noto anche come Emil Lenz) era un fisico baltico-tedesco che potrebbe non avere la fama di alcuni dei suoi primi Coetanei del XIX secolo come Michael Faraday, ma che hanno comunque contribuito con un pezzo chiave alla risoluzione dei misteri di elettromagnetismo.
Mentre alcuni dei suoi coetanei facevano scoperte simili, il nome di Lenz fu dato aLegge di Lenz in gran parte a causa della sua meticolosa presa di appunti, della documentazione completa dei suoi esperimenti e della dedizione al metodo scientificonon comune per l'epoca. La legge stessa costituisce una parte importante diLegge di Faraday dell'induzione elettromagnetica, e in particolare ti dice ildirezionein cui scorre la corrente indotta.
La legge potrebbe essere difficile da capire all'inizio, ma una volta afferrato il concetto chiave, te la caverai bene la tua strada verso una comprensione molto più profonda dell'elettromagnetismo, inclusi problemi pratici come il problema del vortice correnti.
Legge di Faraday
La legge di induzione di Faraday afferma che l'indottoforza elettromotiva(EMF, comunemente indicato come "tensione") in una bobina di filo (o semplicemente intorno a un circuito) è meno la velocità di variazione del flusso magnetico attraverso quel circuito. Matematicamente, e sostituendo la derivata con un più semplice "cambio in" (rappresentato da ∆), la legge afferma:
\text{EMF indotto} = −N \frac{∆ϕ}{∆t}
Dovetè tempo,noè il numero di spire della bobina di filo e phi (ϕ) è il flusso magnetico. La definizione di flusso magnetico è piuttosto importante per questa equazione, quindi vale la pena ricordare che è:
ϕ = \bm{B ∙ A} = BA \cos (θ)
che mette in relazione l'intensità del campo magnetico,B, all'area del cicloUN, e l'angolo tra il ciclo e il campo (θ), con l'angolo del loop definito come perpendicolare all'area (cioè, puntato direttamente fuori dal loop). Poiché l'equazione coinvolge cos, è al valore massimo quando il campo è allineato direttamente con il ciclo e a 0 quando è perpendicolare al ciclo (cioè "side-on").
Prese insieme, queste equazioni mostrano che è possibile creare un EMF in una bobina di filo modificando l'area della sezione trasversaleUN, la forza del campo magneticoB, o l'angolo tra l'area e il campo magnetico. L'entità dell'EMF indotto è direttamente proporzionale alla velocità di variazione di queste quantità e, naturalmente, non deve essere solo una di queste variazioni per indurre l'EMF.
La legge di Faraday è stata usata da James Clerk Maxwell come una delle sue quattro leggi dell'elettromagnetismo, sebbene di solito sia espressa come l'integrale di linea di il campo magnetico attorno a un circuito chiuso (che è essenzialmente un altro modo per dire l'EMF indotto) e la velocità di variazione è espressa come un derivato.
Legge di Lenz
La legge di Lenz è incapsulata nella legge di Faraday perché ci dice la direzione in cui scorre la corrente elettrica indotta. Il modo più semplice per enunciare la legge di Lenz è che i cambiamenti nel flusso magnetico inducono correnti in una direzione chesi oppone la modificache lo ha causato.
In altre parole, perché quando la corrente scorre genera un proprio campo magnetico, la direzione del la corrente indotta è tale che il nuovo campo magnetico è in direzione opposta ai cambiamenti di flusso che lo ha creato. È incapsulato nella legge di Faraday a causa del segno negativo; questo ti dice che l'EMF indotto si oppone al cambiamento originale nel flusso magnetico.
Per un semplice esempio, immagina una bobina di filo con un campo magnetico esterno che punta direttamente verso di essa dal lato destro (cioè, nel centro della bobina e con le linee di campo che puntano a sinistra), e il campo esterno quindi aumenta di grandezza ma mantenendo lo stesso direzione. In questo caso, la corrente indotta nel filo fluirà in modo da produrre un campo magnetico rivolto verso l'esterno della bobina verso destra.
Se invece il campo esterno diminuisse di grandezza, la corrente indotta fluirebbe in modo da produrre un campo magnetico nella stessa direzione del campo originario, perché contrasta il flussoi cambiamentipiuttosto che semplicemente opporsi al campo. Da quel momentocontrasta il cambiamento e non necessariamente la direzione, questo significa che a volte crea un campo nella direzione opposta ea volte nella stessa direzione.
Puoi usare la regola della mano destra (a volte chiamata regola della presa della mano destra per distinguerla da l'altra regola della mano destra usata in fisica) per determinare la direzione dell'elettricità risultante attuale. La regola è abbastanza semplice da applicare: calcolare la direzione del campo magnetico creato dall'indotto corrente e puntare il pollice della mano destra in quella direzione, quindi piegare le dita verso l'interno. La direzione in cui le tue dita si arricciano è la direzione in cui la corrente scorre attraverso la bobina di filo.
Esempi della legge di Lenz
Alcuni esempi concreti di come funziona in pratica la legge di Lenz aiuteranno a cementare i concetti, e il più semplice è molto simile all'esempio sopra: una bobina di filo che si muove dentro o fuori un campo magnetico. Man mano che l'anello si sposta nel campo, il flusso magnetico attraverso l'anello aumenterà (nella direzione opposta al movimento del bobina), inducendo una corrente che si oppone alla velocità di variazione del flusso, e quindi crea un campo magnetico nella direzione del suo movimento.
Se la bobina si muove verso di te, la regola della mano destra e la legge di Lenz mostrano che la corrente scorrerebbe in senso antiorario. Se la bobina si stesse muovendosudel campo, il cambiamento del flusso magnetico sarebbe fondamentalmente una riduzione graduale anziché un aumento, quindi verrebbe indotta la corrente esattamente opposta.
Questa situazione è analoga a spostare un magnete a barra dentro o fuori dal centro di una bobina, perché quando si sposta il magnete all'interno, il campo sarebbe sempre più forte e il campo magnetico indotto lavorerebbe per opporsi al moto del magnete, quindi, in senso antiorario dal punto di vista del magnete. Quando ci si sposta dal centro della bobina di filo, il flusso magnetico diminuirà e il magnetico indotto il campo funzionerebbe di nuovo per opporsi al movimento del magnete, questa volta in senso orario dal punto di vista del magnete.
Un esempio più complicato riguarda una bobina di filo che ruota in un campo magnetico fisso, perché al variare dell'angolo lo farebbe anche il flusso attraverso il circuito. Durante la diminuzione del flusso, la corrente elettrica indotta creerebbe un campo magnetico per opporsi alle variazioni di flusso, quindi sarebbe nella stessa direzione del campo esterno. Durante l'aumento del flusso avviene il contrario e la corrente viene indotta ad opporsi all'aumento del flusso magnetico, quindi in senso contrario al campo esterno. Questo genera una tensione alternata (perché l'EMF indotto cambia ogni volta che il circuito ruota di 180 gradi), e questo può essere utilizzato per generare corrente alternata.
Legge di Lenz e correnti parassite
Una corrente parassita è il nome delle piccole correnti elettriche che obbediscono alla legge di Lenz. In particolare, però, questo nome è usato in riferimento a piccole correnti ad anello nei conduttori analoghi ai vortici che vedi intorno ai tuoi remi quando remi in acqua.
Quando un conduttore viene mosso attraverso un campo magnetico, ad esempio come un pendolo metallico che oscilla tra i poli di un magnete a ferro di cavallo – vengono indotte correnti parassite che, in linea con la legge di Lenz, contrastano l'effetto della movimento. Questo porta allo smorzamento magnetico (poiché il campo indotto funziona necessariamentecontroil movimento che lo ha creato), che può essere utilizzato in modo produttivo in cose come i sistemi di frenatura magnetica per le montagne russe, ma è causa di spreco di energia per dispositivi come generatori e trasformatori.
Quando è necessario ridurre le correnti parassite, il conduttore viene separato in più sezioni da sottili strati isolanti, che limitano le dimensioni delle correnti parassite e riducono la perdita di energia. Tuttavia, poiché le correnti parassite sono una conseguenza necessaria delle leggi di Faraday e di Lenz, non possono essere completamente prevenute.