De wet van Lenz (natuurkunde) Definitie, vergelijking en voorbeelden

Heinrich Lenz (ook wel Emil Lenz genoemd) was een Baltisch-Duitse natuurkundige die misschien niet de faam heeft van sommige van zijn vroege 19e-eeuwse leeftijdsgenoten zoals Michael Faraday, maar die nog steeds een belangrijk stuk hebben bijgedragen aan het oplossen van de mysteries van elektromagnetisme.

Terwijl sommige van zijn collega's soortgelijke ontdekkingen deden, werd de naam van Lenz gegeven aan:Wet van Lenzz​ ​grotendeels vanwege zijn veeleisende notities, uitgebreide documentatie van zijn experimenten en een toewijding aan de wetenschappelijke methodeongebruikelijk voor die tijd. De wet zelf vormt een belangrijk onderdeel vanDe wet van Faraday van elektromagnetische inductie, en specifiek vertelt u derichtingwaarin de geïnduceerde stroom vloeit.

De wet kan in het begin misschien moeilijk zijn om je hoofd rond te krijgen, maar als je het belangrijkste concept eenmaal begrijpt, ben je goed op weg je weg naar een veel dieper begrip van elektromagnetisme, inclusief praktische zaken zoals het probleem van eddy stromingen.

De inductiewet van Faraday stelt dat de geïnduceerdeelektromotorische kracht(EMF, gewoonlijk "spanning" genoemd) in een draadspoel (of eenvoudigweg rond een lus) is minus de veranderingssnelheid van de magnetische flux door die lus. Wiskundig gezien, en de afgeleide vervangend door een eenvoudigere "verandering in" (voorgesteld door ∆), zegt de wet:

Waarthet is tijd,neeis het aantal windingen in de draadspoel en phi (ϕ) is de magnetische flux. De definitie van magnetische flux is vrij belangrijk voor deze vergelijking, dus het is de moeite waard eraan te denken dat het:

die betrekking heeft op de sterkte van het magnetische veld,B, naar het gebied van de lusEEN, en de hoek tussen de lus en het veld (θ), met de lushoek gedefinieerd als loodrecht op het gebied (d.w.z. recht uit de lus wijzend). Aangezien de vergelijking cos omvat, is deze op de maximale waarde wanneer het veld direct is uitgelijnd met de lus, en op 0 wanneer het loodrecht op de lus staat (d.w.z. "zijkant").

Alles bij elkaar genomen laten deze vergelijkingen zien dat u een EMF in een draadspoel kunt creëren door het dwarsdoorsnede-oppervlak te veranderenEEN, de sterkte van het magnetische veldB, of de hoek tussen het gebied en het magnetische veld. De grootte van de geïnduceerde EMF is recht evenredig met de mate van verandering van deze grootheden, en het hoeft natuurlijk niet slechts een van deze veranderingen te zijn om de EMF te induceren.

De wet van Faraday werd door James Clerk Maxwell gebruikt als een van zijn vier wetten van elektromagnetisme, hoewel het meestal wordt uitgedrukt als de lijnintegraal van het magnetische veld rond een gesloten lus (wat in wezen een andere manier is om de geïnduceerde EMF te zeggen) en de snelheid van verandering wordt uitgedrukt als een derivaat.

De wet van Lenz is ingekapseld in de wet van Faraday omdat deze ons de richting vertelt waarin de geïnduceerde elektrische stroom vloeit. De eenvoudigste manier om de wet van Lenz te formuleren, is dat veranderingen in magnetische flux stromen induceren in een richting die:verzet zich tegen​ ​de veranderingdat veroorzaakte het.

Met andere woorden, omdat wanneer stroom vloeit, deze zijn eigen magnetische veld genereert, de richting van de geïnduceerde stroom is zodanig dat het nieuwe magnetische veld in een tegengestelde richting is aan de fluxveranderingen die het gemaakt. Het is ingekapseld in de wet van Faraday vanwege het minteken; dit vertelt je dat de geïnduceerde EMF zich verzet tegen de oorspronkelijke verandering in magnetische flux.

Stel je voor een eenvoudig voorbeeld een draadspoel voor met een extern magnetisch veld dat er rechtstreeks vanaf de rechterkant in wijst (d.w.z. in de midden van de spoel en met de veldlijnen naar links wijzend), en het externe veld neemt dan in grootte toe maar behoudt hetzelfde richting. In dit geval zal de geïnduceerde stroom in de draad vloeien om een ​​magnetisch veld te produceren dat naar rechts uit de spoel wijst.

Als het externe veld in plaats daarvan in grootte zou afnemen, zou de geïnduceerde stroom vloeien om een ​​magnetisch veld te produceren in dezelfde richting als het oorspronkelijke veld, omdat het flux tegengaatveranderingenin plaats van alleen maar tegen het veld in te gaan. Sinds hetgaat de verandering tegen en niet noodzakelijkerwijs de richting, dit betekent dat het soms een veld creëert in de tegenovergestelde richting en soms in dezelfde richting.

U kunt de rechterhandregel gebruiken (soms de rechterhandgreepregel genoemd om deze te onderscheiden van) de andere rechterhandregel die in de natuurkunde wordt gebruikt) om de richting van de resulterende elektrische te bepalen actueel. De regel is vrij eenvoudig toe te passen: bereken de richting van het magnetische veld gecreëerd door de geïnduceerde stroom en wijs met de duim van uw rechterhand in die richting, en krul dan uw vingers naar binnen. De richting waarin uw vingers krullen, is de richting waarin de stroom door de draadspoel stroomt.

Enkele concrete voorbeelden van hoe de wet van Lenz in de praktijk werkt, zullen helpen om de concepten te verstevigen, en de eenvoudigste lijkt erg op het bovenstaande voorbeeld: een draadspoel die in of uit een magnetisch veld beweegt. Naarmate de lus het veld ingaat, zal de magnetische flux door de lus toenemen (in de tegenovergestelde richting van de beweging van de spoel), die een stroom induceert die de veranderingssnelheid van de flux tegenwerkt, en zo een magnetisch veld creëert in de richting van zijn beweging.

Als de spoel naar u toe beweegt, laten de rechterhandregel en de wet van Lenz zien dat de stroom tegen de klok in zou vloeien. Als de spoel in beweging wasuitvan het veld, zou de veranderende magnetische flux in feite een geleidelijke afname zijn in plaats van een toename, zodat precies de tegenovergestelde stroom zou worden geïnduceerd.

Deze situatie is analoog aan het verplaatsen van een staafmagneet in of uit het midden van een spoel, omdat bij het naar binnen bewegen van de magneet het veld sterker worden en het geïnduceerde magnetische veld zou werken om de beweging van de magneet tegen te werken, dus tegen de klok in vanuit het perspectief van de magneet. Bij het verlaten van het midden van de draadspoel, zou de magnetische flux afnemen en de geïnduceerde magnetische veld zou opnieuw werken om de beweging van de magneet tegen te werken, dit keer met de klok mee vanuit het perspectief van de magneet.

Een ingewikkelder voorbeeld betreft een draadspoel die in een vast magnetisch veld roteert, omdat naarmate de hoek verandert, de flux door de lus dat ook zou doen. Tijdens de afname van de flux zou de geïnduceerde elektrische stroom een ​​magnetisch veld creëren om de fluxveranderingen tegen te gaan, dus het zou in dezelfde richting zijn als het externe veld. Tijdens de toename van de flux gebeurt het tegenovergestelde en wordt de stroom geïnduceerd om de toename van de magnetische flux tegen te gaan, dus in de tegenovergestelde richting van het externe veld. Dit genereert een wisselspanning (omdat de geïnduceerde EMF schakelt elke keer dat de lus 180 graden draait), en dit kan worden gebruikt om wisselstroom te genereren.

Een wervelstroom is de naam voor de kleine elektrische stroompjes die voldoen aan de wet van Lenz. Deze naam wordt echter in het bijzonder gebruikt in verwijzing naar kleine, lusvormige stromen in geleiders, analoog aan de wervelingen die je rond je riemen ziet wanneer je in het water roeit.

Wanneer een geleider door een magnetisch veld wordt bewogen, bijvoorbeeld als een metalen slinger die tussen de polen van een hoefijzermagneet – wervelstromen worden geïnduceerd en in lijn met de wet van Lenz werken deze het effect van de beweging. Dit leidt tot magnetische demping (omdat het geïnduceerde veld noodzakelijkerwijs werkt)tegende beweging die het heeft gecreëerd), die productief kan worden gebruikt in zaken als magnetische remsystemen voor achtbanen, maar het is een oorzaak van verspilde energie voor apparaten zoals generatoren en transformatoren.

Wanneer wervelstromen moeten worden verminderd, wordt de geleider in meerdere secties gescheiden door dunne isolerende lagen, die de grootte van de wervelstromen beperken en energieverlies verminderen. Omdat wervelstromen echter een noodzakelijk gevolg zijn van de wetten van Faraday en Lenz, kunnen ze niet helemaal worden voorkomen.