חוק לנץ (פיסיקה) הגדרה, משוואה ודוגמאות

היינריך לנץ (המכונה גם אמיל לנץ) היה פיזיקאי בלטי-גרמני, שאולי לא זכה לתהילה של כמה מראשיתו. בני גיל המאה ה -19 כמו מייקל פאראדיי, אך עדיין תרמו פיסת מפתח לפתרון תעלומותיהם של אלקטרומגנטיות.

בעוד שחלק מעמיתיו גילו תגליות דומות, שמו של לנץ ניתןהחוק של לנץ​ ​בעיקר בגלל רישום הערות נמרץ, תיעוד מקיף של הניסויים שלו והתמסרות לשיטה המדעיתלא נדיר בזמן. החוק עצמו מהווה חלק חשוב מחוק פאראדיי לאינדוקציה אלקטרומגנטית, ואומר לך באופן ספציפי אתכיווןבו הזרם המושרה זורם.

החוק עשוי להיות קשה לעקוף את הראש בהתחלה, אך ברגע שתבין את מושג המפתח, תהיה לך טוב את הדרך שלך להבנה הרבה יותר עמוקה של אלקטרומגנטיות, כולל נושאים מעשיים כמו בעיית אדי זרמים.

חוק האינדוקציה של פאראדיי קובע כי המושרהכוח אלקטרומוטיבי(EMF, המכונה בדרך כלל "מתח") בסליל חוט (או פשוט, סביב לולאה) הוא מינוס קצב השינוי של השטף המגנטי דרך אותה לולאה. מבחינה מתמטית והחלפת הנגזרת ב"שינוי ב "פשוט יותר (המיוצג על ידי ∆), החוק קובע:

איפהtהגיע הזמן,נהוא מספר הסיבובים בסליל החוט ו- phi (ϕ) הוא השטף המגנטי. ההגדרה של שטף מגנטי חשובה למדי למשוואה זו, ולכן כדאי לזכור שהיא:

המתייחס לחוזק השדה המגנטי,ב, לאזור הלולאהא, והזווית בין הלולאה לשדה (θ), כאשר זווית הלולאה מוגדרת בניצב לשטח (כלומר, מכוונת היישר מהלולאה). מכיוון שהמשוואה כוללת cos, זה בערך המקסימלי כאשר השדה מיושר ישירות עם הלולאה, וב- 0 כשהוא מאונך לולאה (כלומר "צד-לצד").

ביחד, משוואות אלה מראות כי ניתן ליצור EMF בסליל חוט על ידי שינוי שטח החתך.א, עוצמת השדה המגנטיב, או הזווית בין האזור לשדה המגנטי. גודל ה- EMF המושרה עומד ביחס ישר לשיעור השינויים בכמויות אלה, וכמובן שהוא לא צריך להיות רק אחד מאלה המשתנים על מנת לגרום ל- EMF.

החוק של פאראדיי שימש את ג'יימס פקיד מקסוול כאחד מארבעת חוקי האלקטרומגנטיות שלו, אם כי הוא מתבטא בדרך כלל כאינטגרל הקו של השדה המגנטי סביב לולאה סגורה (שהיא למעשה דרך אחרת לומר את EMF המושרה) וקצב השינוי מתבטא כ נגזר.

החוק של לנץ מוקף בחוק פאראדיי מכיוון שהוא אומר לנו את הכיוון אליו הזרם החשמלי המושרה. הדרך הפשוטה ביותר לקבוע את חוק לנץ היא ששינויים בשטף המגנטי גורמים לזרמים בכיוון זהמתנגד​ ​השינוישגרם לזה.

במילים אחרות, מכיוון שכאשר הזרם זורם הוא מייצר שדה מגנטי משלו, כיוון ה זרם המושרה הוא כזה שהשדה המגנטי החדש נמצא בכיוון ההפוך לשטף השינויים יצר אותה. זה מקופל בחוק פאראדיי בגלל הסימן השלילי; זה אומר לך ש EMF המושרה מתנגד לשינוי המקורי בשטף המגנטי.

לדוגמא פשוטה, דמיין סליל חוט עם שדה מגנטי חיצוני שמצביע אליו ישירות מצד ימין (כלומר אל תוך מרכז הסליל ועם קווי השדה שמצביעים שמאלה), והשדה החיצוני אז גדל בעוצמתו אך שומר על אותו כיוון. במקרה זה, הזרם המושרה בחוט יזרום כדי לייצר שדה מגנטי המכוון מהסליל ימינה.

אם השדה החיצוני ירד בעוצמתו במקום זאת, הזרם המושרה היה זורם כדי לייצר שדה מגנטי באותו כיוון כמו השדה המקורי, מכיוון שהוא נוגד את השטףשינוייםבמקום פשוט להתנגד לתחום. מאזמנוגד לשינוי ולאו דווקא לכיוון, פירוש הדבר שלעתים יוצר שדה בכיוון ההפוך ולעיתים באותו כיוון.

אתה יכול להשתמש בכלל הימני (המכונה לפעמים כלל האחיזה הימנית כדי להבדיל בינו לבין זה הכלל הימני האחר המשמש בפיזיקה) לקביעת כיוון החשמל שנוצר נוֹכְחִי. הכלל די קל ליישום: חישב את כיוון השדה המגנטי שנוצר על ידי המושרה הזרם והפנה את אגודל יד ימין לכיוון זה ואז סלסל את אצבעותיך פנימה. הכיוון שאצבעותיך מסתלסלות הוא הכיוון שהזרם זורם דרך סליל התיל.

כמה דוגמאות קונקרטיות לאופן בו פועל החוק של לנץ יעזרו לבסס את המושגים ואת הפשוט ביותר דומה מאוד לדוגמא שלמעלה: סליל חוט העובר לשדה מגנטי או החוצה ממנו. כאשר הלולאה עוברת לשדה, השטף המגנטי דרך הלולאה יגדל (בכיוון ההפוך לתנועת ה- סליל), המשרה זרם המתנגד לקצב שינוי השטף, וכך יוצר שדה מגנטי לכיוון שלו תְנוּעָה.

אם הסליל נע לכיוונך, הכלל הימני וחוק לנץ מראים שהזרם יזרום בכיוון השעון. אם הסליל נעהַחוּצָההשדה, השטף המגנטי המשתנה יהיה בעצם הפחתה הדרגתית במקום עלייה, כך שהזרם ההפוך בדיוק יושרה.

מצב זה מקביל להזזת מגנט בר למרכז הסליל או ממנו, מכיוון שכאשר מכניסים את המגנט פנימה, השדה יהיה התחזקות והשדה המגנטי המושרה יפעל להתנגד לתנועת המגנט, כך, נגד כיוון השעון מנקודת המבט של מַגנֵט. כאשר יוצאים ממרכז סליל החוט, השטף המגנטי יורד והמגנטי המושרה שדה יעבוד שוב להתנגד לתנועת המגנט, הפעם בכיוון השעון מנקודת מבטו של המגנט.

דוגמה מסובכת יותר כוללת סליל של חוט המסתובב בשדה מגנטי קבוע, מכיוון שכאשר הזווית משתנה, השטף דרך הלולאה היה גם כן. במהלך הירידה בשטף, הזרם החשמלי המושרה היה יוצר שדה מגנטי המתנגד לשינויים בשטף, כך שהוא יהיה באותו כיוון כמו השדה החיצוני. במהלך עליית השטף, ההפך קורה והזרם נגרם להתנגד לעליית השטף המגנטי, כך בכיוון ההפוך לשדה החיצוני. זה מייצר מתח לסירוגין (מכיוון ש- EMF המושרה מתחלף בכל פעם שהלולאה מסתובבת 180 מעלות), ובאמצעות זה ניתן לייצר זרם חילופין.

זרם מערבולת הוא שם הזרמים החשמליים הקטנים המצייתים לחוק לנץ. במיוחד, עם זאת, שם זה משמש בהתייחס לזרמים קטנים ולולאות במוליכים המקבילים למערבולות שאתה רואה סביב משוטים בעת חתירה במים.

כאשר מוליך מועבר דרך שדה מגנטי - למשל, כמו מטוטלת מתכת המתנדנדת בין הקטבים של מגנט של פרסה - זרמים אדיאליים נוצרים, ובהתאם לחוק לנץ, אלה נוגדים את השפעת תְנוּעָה. זה מוביל לשיכוך מגנטי (שכן השדה המושרה עובד בהכרחנגדהתנועה שיצרה אותו), שניתן להשתמש בה באופן יעיל בדברים כמו מערכות בלימה מגנטיות לרכבות הרים, אך זהו גורם לבזבוז אנרגיה למכשירים כמו גנרטורים ושנאים.

כאשר יש צורך להפחית זרמי אדי, המוליך מופרד לחלקים מרובים על ידי שכבות בידוד דקיקות, המגבילות את גודל זרמי האוויר ומפחיתות אובדן אנרגיה. עם זאת, מכיוון שזרמי חיבול הם תוצאה הכרחית מחוקיהם של פאראדיי ושל לנץ, לא ניתן למנוע אותם לחלוטין.