Lenzo dėsnio (fizikos) apibrėžimas, lygtis ir pavyzdžiai

Heinrichas Lenzas (dar vadinamas Emiliu Lenzu) buvo baltų ir vokiečių fizikas, kuriam galbūt neteko šlovės XIX amžiaus bendraamžiai mėgsta Michaelą Faraday, tačiau jis vis tiek prisidėjo prie pagrindinio kūrinio sprendžiant jo paslaptis elektromagnetizmas.

Kol kai kurie jo bendraamžiai darė panašius atradimus, Lenzo vardas buvo suteiktasLenzo įstatymas​ ​didžiąja dalimi dėl jo kruopštaus užrašų, išsamaus eksperimentų dokumentavimo ir atsidavimo moksliniam metoduituo metu nedažnas. Pats įstatymas sudaro svarbią dalįFaradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnisir konkrečiai jums pasakokryptiskuriame teka sukelta srovė.

Iš pradžių įstatymams gali būti sunku apeiti galvą, bet kai suprasite pagrindinę sąvoką, jums viskas bus gerai jūsų kelias į kur kas gilesnį elektromagnetizmo supratimą, įskaitant praktinius klausimus, tokius kaip sūkurinės problemos srovės.

Faradėjaus indukcijos dėsnis teigia, kad sukeltaselektromotorinė jėga(EML, paprastai vadinama „įtampa“) vielos ritėje (arba paprasčiausiai aplink kilpą) yra atimta magnetinio srauto per tą kilpą pokyčio greitis. Matematiškai ir pakeičiant darinį paprastesniu „pasikeitimu“ (kurį žymi ∆), įstatyme teigiama:

Kurtyra laikas,Nyra vielos ritės posūkių skaičius, o phi (ϕ) - magnetinis srautas. Magnetinio srauto apibrėžimas yra gana svarbus šiai lygčiai, todėl verta prisiminti, kad jis:

kuris susijęs su magnetinio lauko stiprumu,B, į kilpos plotąAir kampas tarp kilpos ir lauko (θ), kilpos kampas apibrėžiamas kaip statmenas plotui (t. y. nukreiptas tiesiai iš kilpos). Kadangi lygtis susijusi su cos, ji yra didžiausia vertė, kai laukas yra tiesiai sulygintas su kilpa, ir ties 0, kai jis yra statmenas kilpai (t. Y. „Ant šono“).

Bendrai paėmus, šios lygtys rodo, kad vielos ritėje galite sukurti EMF, pakeisdami skerspjūvio plotąA, magnetinio lauko stiprisB, arba kampas tarp srities ir magnetinio lauko. Indukuoto EML dydis yra tiesiogiai proporcingas šių dydžių kitimo greičiui, ir, žinoma, jis neturi būti tik vienas iš šių pokyčių, kad sukeltų EML.

Faradėjaus įstatymą Jamesas Clerkas Maxwellas naudojo kaip vieną iš keturių savo elektromagnetizmo dėsnių, nors jis paprastai išreiškiamas kaip magnetinis laukas aplink uždarą kilpą (kuris iš esmės yra dar vienas būdas pasakyti sukeltą EML) ir pokyčio greitis išreiškiamas kaip vedinys.

Lenzo įstatymas yra įtrauktas į Faradėjaus įstatymą, nes jis nurodo kryptį, kuria teka sukelta elektros srovė. Paprasčiausias būdas pasakyti Lenzo dėsnį yra tas, kad magnetinio srauto pokyčiai sukelia sroves ta kryptimipriešinasi​ ​pasikeitimastai sukėlė.

Kitaip tariant, nes kai srovė teka, ji sukuria savo magnetinį lauką sukelta srovė yra tokia, kad naujas magnetinis laukas yra priešinga srauto pokyčių krypčiai jį sukūrė. Jis yra įtrauktas į Faradėjaus įstatymą dėl neigiamo ženklo; tai jums sako, kad sukelta EMF priešinasi pradiniam magnetinio srauto pokyčiui.

Paprastam pavyzdžiui įsivaizduokite vielos ritę su išoriniu magnetiniu lauku, nukreiptą tiesiai į ją iš dešinės pusės (t. Y. Į ritės centras ir lauko linijos nukreiptos į kairę), o išorinis laukas didėja, tačiau išlieka tas pats kryptis. Tokiu atveju sukelta laido srovė tekės taip, kad sukurtų magnetinį lauką, nukreiptą iš ritės į dešinę.

Jei išorinis laukas sumažėtų, indukuota srovė tekėtų taip, kad sukurtų magnetinį lauką ta pačia kryptimi kaip ir pradinis laukas, nes jis neutralizuoja srautąpokyčiaio ne paprasčiausiai priešintis laukui. Nuo tada, kai taineutralizuoja pokyčius ir nebūtinai kryptį, tai reiškia, kad jis kartais sukuria lauką priešinga kryptimi, o kartais ir ta pačia kryptimi.

Norėdami ją atskirti, galite naudoti dešinės rankos taisyklę (kartais vadinamą dešinės rankos taisykle) kita fizikoje naudojama dešinės rankos taisyklė) gautos elektros krypčiai nustatyti srovė. Taisyklę taikyti yra gana lengva: išsiaiškinkite sukelto magnetinio lauko kryptį srovę ir nukreipkite dešinės rankos nykštį ta linkme, o tada susukite pirštus į vidų. Kryptis, kuria susisuka pirštai, yra kryptis, kuria srovė teka vielos ritė.

Keletas konkrečių pavyzdžių, kaip Lenzo įstatymas veikia praktiškai, padės įtvirtinti sąvokas, o paprasčiausias yra labai panašus į aukščiau pateiktą pavyzdį: vielos ritė, judanti į magnetinį lauką arba iš jo. Kai kilpa juda į lauką, magnetinis srautas per kilpą padidės (priešinga kryptimi, nei judėjimas ritė), sukeldama srovę, kuri priešinasi srauto pokyčio greičiui ir taip sukuria magnetinį lauką jo kryptimi judesio.

Jei ritė juda link jūsų, dešinės rankos taisyklė ir Lenzo dėsnis rodo, kad srovė tekėtų prieš laikrodžio rodyklę. Jei ritė judėjoišėjolauko lauko, kintantis magnetinis srautas iš esmės būtų laipsniškas mažinimas, o ne padidėjimas, todėl būtų sukelta visiškai priešinga srovė.

Ši situacija yra analogiška juostos magneto perkėlimui į ritės centrą arba iš jo, nes judinant magnetą laukas būtų stiprėjant, o sukeltas magnetinis laukas prieštarautų magneto judėjimui, taigi, prieš laikrodžio rodyklę magnetas. Judant iš vielos ritės centro, magnetinis srautas mažėtų, o sukeltas magnetinis laukas vėl veiktų priešindamas magneto judėjimą, šį kartą pagal magneto perspektyvą pagal laikrodžio rodyklę.

Sudėtingesnis pavyzdys apima vielos ritę, besisukančią fiksuotame magnetiniame lauke, nes, pasikeitus kampui, taip pat vyktų srautas per kilpą. Sumažėjus srautui, sukelta elektros srovė sukurtų magnetinį lauką, kuris priešintųsi srauto pokyčiams, taigi jis būtų toje pačioje kryptyje kaip ir išorinis laukas. Didėjant srautui, vyksta priešingai, o srovė skatinama priešintis magnetinio srauto padidėjimui, taigi priešinga išorinio lauko krypčiai. Tai sukuria kintamą įtampą (nes sukelta EMF persijungia kiekvieną kartą, kai kilpa pasisuka 180 laipsnių kampu), ir tai gali būti naudojama kintamajai srovei generuoti.

Virpulinė srovė yra mažų elektros srovių, kurios laikosi Lenzo dėsnio, pavadinimas. Visų pirma, šis vardas naudojamas kaip nuoroda į mažas, kilpines sroves laidininkuose, analogiškus sūkuriams, kuriuos matote aplink savo irklus, kai irkluojate vandenyje.

Kai laidininkas perkeliamas per magnetinį lauką, pavyzdžiui, kaip metalinė švytuoklė, siūbuojanti tarp polių pasagos magnetas - sukeliamos sūkurinės srovės, ir pagal Lenzo dėsnį šios neutralizuoja judesio. Tai veda prie magnetinės amortizacijos (nes sukeltas laukas būtinai veikiapriešjį sukūręs judesys), kurį galima produktyviai naudoti tokiuose dalykuose kaip magnetinės stabdžių sistemos kalneliams, tačiau tai švaistoma energija tokiems prietaisams kaip generatoriai ir transformatoriai.

Kai reikia sumažinti sūkurines sroves, laidininkas atskiriamas į kelias dalis plonais izoliaciniais sluoksniais, kurie riboja sūkurinių srovių dydį ir sumažina energijos nuostolius. Tačiau kadangi sūkurinės srovės yra būtina Faradėjaus ir Lenzo dėsnių pasekmė, jų visiškai išvengti negalima.