Heinrich Lenz (også referert til som Emil Lenz) var en baltisk-tysk fysiker som kanskje ikke har berømmelse for noen av hans tidlige Jevnaldrende fra det 19. århundre som Michael Faraday, men som fortsatt bidro med et sentralt stykke for å løse mysteriene til elektromagnetisme.
Mens noen av hans jevnaldrende gjorde lignende funn, ble Lenz navn gitt tilLenzs lov i stor grad på grunn av hans kjipe notater, omfattende dokumentasjon av eksperimentene og en dedikasjon til den vitenskapelige metodenuvanlig for tiden. Selve loven utgjør en viktig del avFaradays lov om elektromagnetisk induksjon, og forteller deg spesifiktretningder den induserte strømmen strømmer.
Loven kan være vanskelig å få hodet på i begynnelsen, men når du har forstått nøkkelkonseptet, vil du ha det bra din vei til en mye dypere forståelse av elektromagnetisme, inkludert praktiske spørsmål som virvelproblemet strømmer.
Faradays lov
Faradays induksjonslov sier at den induserteelektromotorisk kraft(EMF, ofte referert til som "spenning") i en trådspole (eller ganske enkelt, rundt en sløyfe) er minus endringshastigheten for magnetisk strømning gjennom den sløyfen. Matematisk, og erstatter derivatet med en enklere "endring i" (representert av ∆), sier loven:
\ text {induced EMF} = −N \ frac {∆ϕ} {∆t}
Hvorttiden er inne,Ner antall omdreininger i trådspolen og phi (ϕ) er den magnetiske strømmen. Definisjonen av magnetisk flux er ganske viktig for denne ligningen, så det er verdt å huske at det er:
ϕ = \ bm {B ∙ A} = BA \ cos (θ)
som relaterer styrken til magnetfeltet,B, til området av sløyfenEN, og vinkelen mellom løkken og feltet (θ), med sløyfevinkelen definert som vinkelrett på området (dvs. peker rett ut av sløyfen). Siden ligningen involverer cos, er den på maksimumsverdien når feltet er direkte justert med sløyfen, og ved 0 når det er vinkelrett på sløyfen (dvs. "side-on").
Til sammen viser disse ligningene at du kan lage en EMF i en trådspole ved å endre tverrsnittsarealetEN, styrken til magnetfeltetB, eller vinkelen mellom området og magnetfeltet. Størrelsen på den induserte EMF er direkte proporsjonal med endringshastigheten for disse mengdene, og selvfølgelig trenger den ikke bare å være en av disse som endres for å indusere EMF.
Faradays lov ble brukt av James Clerk Maxwell som en av hans fire lover om elektromagnetisme, selv om den vanligvis uttrykkes som linjen integrert av magnetfeltet rundt en lukket sløyfe (som egentlig er en annen måte å si den induserte EMF) og endringshastigheten uttrykkes som en derivat.
Lenzs lov
Lenzs lov er innkapslet i Faradays lov fordi den forteller oss i hvilken retning den induserte elektriske strømmen strømmer. Den enkleste måten å fastslå Lenzs lov er at endringer i magnetisk fluks induserer strøm i en retning sommotsetter seg forandringensom forårsaket det.
Med andre ord, fordi når det strømmer, genererer det sitt eget magnetiske felt, retning av indusert strøm er slik at det nye magnetfeltet er i motsatt retning av fluksendringene som skapte den. Det er innkapslet i Faradays lov på grunn av det negative tegnet; Dette forteller deg at den induserte EMF motsetter seg den opprinnelige endringen i magnetisk flux.
For et enkelt eksempel, forestill deg en trådspole med et eksternt magnetfelt som peker direkte inn i det fra høyre side (dvs. inn i midt på spolen og med feltlinjene som peker mot venstre), og det ytre feltet øker deretter i størrelse, men opprettholder det samme retning. I dette tilfellet vil den induserte strømmen i ledningen strømme for å produsere et magnetfelt som peker ut av spolen til høyre.
Hvis det ytre feltet i stedet reduseres i størrelse, vil den induserte strømmen strømme for å produsere et magnetfelt i samme retning som det opprinnelige feltet, fordi det motvirker fluksEndringeri stedet for bare å motsette seg feltet. Siden detmotvirker endringen og ikke nødvendigvis retningen, dette betyr at det noen ganger skaper et felt i motsatt retning og noen ganger i samme retning.
Du kan bruke regelen til høyre (noen ganger kalt regelen for høyre grep for å skille den fra den andre høyrehåndsregelen som brukes i fysikk) for å bestemme retningen til den resulterende elektriske nåværende. Regelen er ganske enkel å bruke: regne ut retningen til magnetfeltet skapt av den induserte strøm og pek tommelen på høyre hånd i den retningen, og krøl fingrene innover. Retningen fingrene krøller seg i retningen strømmen strømmer gjennom trådspolen.
Eksempler på Lenzs lov
Noen konkrete eksempler på hvordan Lenzs lov fungerer i praksis vil bidra til å sementere konseptene og enkleste er veldig lik eksemplet ovenfor: en trådspole som beveger seg inn i eller ut av et magnetfelt. Når sløyfen beveger seg inn i feltet, vil magnetstrømmen gjennom sløyfen øke (i motsatt retning av bevegelsen til spole), induserer en strøm som motsetter hastigheten på endring av fluks, og dermed skaper et magnetfelt i retning av dens bevegelse.
Hvis spolen beveger seg mot deg, viser høyre håndregel og Lenzs lov at strømmen vil strømme mot urviseren. Hvis spolen beveget seguteav feltet, ville den skiftende magnetiske strømmen i utgangspunktet være en gradvis reduksjon i stedet for en økning, så den motsatte strømmen ville bli indusert.
Denne situasjonen er analog med å flytte en stangmagnet inn i eller ut av midten av en spole, fordi når du flytter magneten inn, vil feltet være bli sterkere og det induserte magnetfeltet vil fungere for å motsette seg magnetens bevegelse, så mot klokken fra perspektivet til magnet. Når du beveger deg ut av midten av trådspolen, vil magnetstrømmen synke og den induserte magnetiske feltet vil igjen arbeide for å motsette seg magnetens bevegelse, denne gangen med urviseren fra magnetens perspektiv.
Et mer komplisert eksempel involverer en trådspole som roterer i et fast magnetfelt, fordi når vinkelen endres, vil også strømmen gjennom sløyfen. Under reduksjonen i fluks ville den induserte elektriske strømmen skape et magnetfelt for å motsette seg fluksendringene, slik at det ville være i samme retning som det eksterne feltet. Under økningen i fluks skjer det motsatte og strømmen blir indusert til å motsette seg økningen i magnetisk fluks, så i motsatt retning av det ytre feltet. Dette genererer en vekselspenning (fordi den induserte EMF bryter hver gang sløyfen roterer 180 grader), og denne kan brukes til å generere vekselstrøm.
Lenz’s Law and Eddy Currents
En virvelstrøm er navnet på de små elektriske strømningene som adlyder Lenzs lov. Spesielt brukes imidlertid dette navnet med henvisning til små strømninger i ledere som er analoge med virvlene du ser rundt årene når du roer i vann.
Når en leder beveges gjennom et magnetfelt - for eksempel som en metallpendel som svinger mellom polene på en hestesko-magnet - virvelstrømmer induseres, og i tråd med Lenzs lov motvirker disse effekten av bevegelse. Dette fører til magnetisk demping (som det induserte feltet nødvendigvis fungererimotbevegelsen som skapte den), som kan brukes produktivt i ting som magnetiske bremsesystemer for berg- og dalbaner, men det er en årsak til bortkastet energi for enheter som generatorer og transformatorer.
Når virvelstrømmer må reduseres, skilles lederen i flere seksjoner av tynne isolerende lag, som begrenser størrelsen på virvelstrømmene og reduserer energitapet. Siden virvelstrømmer er en nødvendig konsekvens av Faradays og Lenzs lover, kan de imidlertid ikke helt forhindres.