Lenca likuma (fizika) definīcija, vienādojums un piemēri

Heinrihs Lencs (saukts arī par Emīlu Lencu) bija baltvācu fiziķis, kuram, iespējams, nav slavas ar dažiem viņa agrīnajiem 19. gadsimta vienaudžiem, piemēram, Maikls Faradejs, bet kurš tomēr sniedza galveno ieguldījumu viņu noslēpumu atrisināšanā elektromagnētisms.

Kamēr daži viņa vienaudži veica līdzīgus atklājumus, Lenca vārds tika dotsLenca likums​ ​lielā mērā viņa veiklās piezīmju izdarīšanas, eksperimentu visaptverošās dokumentācijas un veltījuma zinātniskajai metodei dēļlaikam nav tik izplatīta. Likums pats par sevi ir svarīga daļaFaradeja elektromagnētiskās indukcijas likums, un īpaši stāsta jumsvirzienukurā plūst inducētā strāva.

Sākotnēji likums var būt grūti savaldīt galvu, bet, tiklīdz jūs aptverat galveno jēdzienu, jums viss izdosies savu ceļu uz daudz dziļāku elektromagnētisma izpratni, ieskaitot praktiskus jautājumus, piemēram, virpuļvada problēmu strāvas.

Faradejas indukcijas likums nosaka, ka inducētaiselektromotors(EML, ko parasti dēvē par “spriegumu”) stieples spolē (vai vienkārši ap cilpu) ir mīnus magnētiskās plūsmas maiņas ātrums caur šo cilpu. Matemātiski un aizstājot atvasinājumu ar vienkāršāku “izmaiņu” (ko apzīmē ∆), likums nosaka:

Kurtir laiks,Nir stieples spoles pagriezienu skaits, un phi (ϕ) ir magnētiskā plūsma. Magnētiskās plūsmas definīcija ir diezgan svarīga šim vienādojumam, tāpēc ir vērts atcerēties, ka tā ir:

kas attiecas uz magnētiskā lauka stiprumu,B, līdz cilpas laukumamA, un leņķis starp cilpu un lauku (θ), cilpas leņķi definējot kā perpendikulāru laukumam (t.i., vērstu tieši no cilpas). Tā kā vienādojums ir saistīts ar cos, tas ir maksimālajā vērtībā, kad lauks ir tieši izlīdzināts ar cilpu, un pie 0, kad tas ir perpendikulārs cilpai (t.i., “uz sāniem”).

Kopā šie vienādojumi parāda, ka jūs varat izveidot EMF stieples spolē, mainot šķērsgriezuma laukumuA, magnētiskā lauka stiprumsB, vai leņķis starp laukumu un magnētisko lauku. Inducētā EML lielums ir tieši proporcionāls šo lielumu izmaiņu ātrumam, un, protams, tam nav jābūt tikai vienam no šiem, lai izraisītu EML.

Faradejas likumu Džeimss Klerks Maksvels izmantoja kā vienu no saviem četriem elektromagnētisma likumiem, lai gan tas parasti tiek izteikts kā magnētiskais lauks ap slēgtu loku (kas būtībā ir vēl viens veids, kā pateikt izraisīto EML), un izmaiņu ātrumu izsaka kā atvasinājums.

Lenca likums ir iekapsulēts Faradejas likumā, jo tas mums norāda virzienu, kurā plūst inducētā elektriskā strāva. Vienkāršākais veids, kā izteikt Lenca likumu, ir tas, ka magnētiskās plūsmas izmaiņas inducē strāvas virzienā, kasiebilst​ ​izmaiņastas to izraisīja.

Citiem vārdiem sakot, tāpēc, ka, strāvai plūstot, tas ģenerē pats savu magnētisko lauku, inducētā strāva ir tāda, ka jaunais magnētiskais lauks atrodas pretējā virzienā plūsmas izmaiņām to izveidoja. Tas ir iekapsulēts Faradejas likumā negatīvās zīmes dēļ; tas jums saka, ka izraisītais EML iebilst pret sākotnējām izmaiņām magnētiskajā plūsmā.

Vienkāršā piemērā iedomājieties stieples spoli ar ārējo magnētisko lauku, kas tieši vērsta tajā no labās puses (t.i., uz spoles centrā un ar lauka līnijām, kas vērstas uz kreiso pusi), un ārējais lauks pēc tam palielinās, bet saglabā to pašu virzienu. Šajā gadījumā vadā inducētā strāva plūst tā, lai radītu magnētisko lauku, kas vērsts no spoles pa labi.

Ja tā vietā samazināsies ārējā lauka lielums, inducētā strāva plūst tā, lai radītu magnētisko lauku tajā pašā virzienā kā sākotnējais lauks, jo tas neitralizē plūsmuizmaiņasnevis vienkārši pretoties laukam. Kopš tāneitralizē izmaiņas un ne vienmēr virzienu, tas nozīmē, ka tas dažreiz rada lauku pretējā virzienā un dažreiz tajā pašā virzienā.

Lai to atšķirtu, varat izmantot labās puses likumu (dažreiz to sauc par labās rokas saķeres kārtulu) otrs fizikā izmantotais labās rokas noteikums), lai noteiktu iegūtā elektriskā virzienu strāva. Noteikumu ir diezgan viegli piemērot: nosakiet inducētā radītā magnētiskā lauka virzienu strāvu un norādiet labās rokas īkšķi šajā virzienā un pēc tam saritiniet pirkstus uz iekšu. Pirkstu čokurošanās virziens ir virziens, kurā strāva plūst caur stieples spoli.

Daži konkrēti piemēri par to, kā Lenca likums darbojas praksē, palīdzēs nostiprināt jēdzienus, un vienkāršākais ir ļoti līdzīgs iepriekšējam piemēram: stieples spole, kas pārvietojas magnētiskajā laukā vai iziet no tā. Kad cilpa pārvietojas laukā, magnētiskā plūsma caur cilpu palielināsies (pretējā virzienā spole), izraisot strāvu, kas ir pretrunā plūsmas maiņas ātrumam un tādējādi rada magnētisko lauku tā virzienā kustība.

Ja spole virzās uz jums, labās rokas likums un Lenca likums parāda, ka strāva plūst pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam. Ja spole kustējāsārālauka mainīgā magnētiskā plūsma būtībā būtu pakāpeniska samazināšana, nevis palielināšanās, tāpēc tiktu izraisīta tieši pretēja strāva.

Šī situācija ir analoga stieņa magnēta pārvietošanai spoles centrā vai ārpus tā, jo, pārvietojot magnētu, lauks būtu stiprināšanās un izraisītais magnētiskais lauks darbotos, lai pretotos magnēta kustībai, tātad pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam magnēts. Pārvietojoties no stieples spoles centra, magnētiskā plūsma samazināsies un inducētā magnētiskā lauks atkal darbotos, lai pretotos magnēta kustībai, šoreiz magnēta perspektīvā pulksteņrādītāja virzienā.

Sarežģītāks piemērs ietver stieples spoli, kas rotē fiksētā magnētiskajā laukā, jo, mainoties leņķim, arī plūsma caur cilpu. Plūsmas samazināšanās laikā inducētā elektriskā strāva radītu magnētisko lauku, lai pretotos plūsmas izmaiņām, tāpēc tas būtu tajā pašā virzienā kā ārējais lauks. Plūsmas palielināšanās laikā notiek pretējais, un strāva tiek ierosināta, lai pretotos magnētiskās plūsmas pieaugumam, tātad pretējā virzienā ārējam laukam. Tas rada mainīgu spriegumu (jo inducētais EMF pārslēdzas katru reizi, kad cilpa pagriežas par 180 grādiem), un to var izmantot maiņstrāvas ģenerēšanai.

Virpuļstrāva ir nosaukums mazajām elektriskajām strāvām, kas ievēro Lenca likumu. Tomēr šis nosaukums tiek izmantots, atsaucoties uz mazām, kontūrējošām strāvām vadītājos, kas ir līdzīgi virpuļiem, kurus jūs redzat ap airiem, airējot ūdenī.

Kad vadītājs tiek pārvietots caur magnētisko lauku, piemēram, kā metāla svārsts, kas šūpojas starp pakavas magnēts - tiek ierosinātas virpuļstrāvas, un saskaņā ar Lenca likumu tās neitralizē kustība. Tas noved pie magnētiskās amortizācijas (jo inducētais lauks obligāti darbojaspretkustība, kas to radīja), ko var produktīvi izmantot tādās lietās kā magnētiskās bremžu sistēmas amerikāņu kalniņiem, bet tas rada enerģijas izšķiešanu tādām ierīcēm kā ģeneratori un transformatori.

Kad ir jāsamazina virpuļstrāvas, vadītājs tiek sadalīts vairākās daļās ar plānām izolācijas kārtām, kas ierobežo virpuļstrāvu lielumu un samazina enerģijas zudumus. Tomēr, tā kā virpuļstrāvas ir Faraday un Lenz likumu nepieciešamās sekas, tās nevar pilnībā novērst.