Prawo Lenza (fizyka) Definicja, równanie i przykłady

Heinrich Lenz (określany również jako Emil Lenz) był bałtycko-niemieckim fizykiem, który może nie mieć sławy niektórych swoich wczesnych XIX-wieczni rówieśnicy, tacy jak Michael Faraday, którzy nadal wnieśli kluczowy wkład w rozwiązanie zagadek elektromagnetyzm.

Podczas gdy niektórzy z jego rówieśników dokonywali podobnych odkryć, nazwisko Lenza nadano:Prawo Lenza​ ​w dużej mierze dzięki skrupulatnemu robieniu notatek, obszernej dokumentacji swoich eksperymentów i poświęceniu się metodzie naukowejniezwykłe jak na ten czas. Samo prawo stanowi ważną częśćPrawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya, a konkretnie mówi, żekierunekw którym płynie prąd indukowany.

Na początku prawo może być trudne do zrozumienia, ale kiedy zrozumiesz kluczową koncepcję, będziesz dobrze Twoja droga do znacznie głębszego zrozumienia elektromagnetyzmu, w tym praktycznych zagadnień, takich jak problem wirów prądy.

Prawo indukcji Faradaya stwierdza, że ​​indukowanysiła elektromotoryczna(EMF, powszechnie określane jako „napięcie”) w cewce drutu (lub po prostu wokół pętli) jest pomniejszone o szybkość zmiany strumienia magnetycznego przez tę pętlę. Matematycznie, zastępując pochodną prostszą „zmianą w” (reprezentowaną przez ∆), prawo stanowi:

Gdzietjest czas,Nto liczba zwojów w cewce drutu, a phi (ϕ) to strumień magnetyczny. Definicja strumienia magnetycznego jest bardzo ważna dla tego równania, dlatego warto pamiętać, że jest to:

która odnosi się do siły pola magnetycznego,b, do obszaru pętliZA, oraz kąt między pętlą a polem (θ), z kątem pętli zdefiniowanym jako prostopadły do ​​obszaru (tj. wskazujący prosto z pętli). Ponieważ równanie obejmuje cos, ma wartość maksymalną, gdy pole jest bezpośrednio wyrównane z pętlą, a 0, gdy jest prostopadłe do pętli (tj. „bok-on”).

Wzięte razem, równania te pokazują, że można stworzyć pole elektromagnetyczne w cewce drutu, zmieniając pole przekroju poprzecznegoZA, siła pola magnetycznegoblub kąt między obszarem a polem magnetycznym. Wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego jest wprost proporcjonalna do tempa zmian tych wielkości i oczywiście nie musi to być tylko jedna z tych zmian, aby wywołać pole elektromagnetyczne.

Prawo Faradaya zostało użyte przez Jamesa Clerka Maxwella jako jedno z jego czterech praw elektromagnetyzmu, chociaż zwykle wyraża się je jako całka krzywoliniowa pole magnetyczne wokół zamkniętej pętli (co jest zasadniczo innym sposobem na określenie indukowanego pola elektromagnetycznego) i szybkość zmian jest wyrażona jako pochodna.

Prawo Lenza jest zawarte w prawie Faradaya, ponieważ mówi nam o kierunku, w którym płynie indukowany prąd elektryczny. Najprostszym sposobem określenia prawa Lenza jest to, że zmiany strumienia magnetycznego indukują prądy w kierunku, którysprzeciwia się​ ​zmianato spowodowało to.

Innymi słowy, ponieważ przepływający prąd generuje własne pole magnetyczne, kierunek prąd indukowany jest taki, że nowe pole magnetyczne jest w kierunku przeciwnym do zmian strumienia, które stworzył go. Jest zawarty w prawie Faradaya ze względu na znak ujemny; to mówi, że indukowane pole elektromagnetyczne sprzeciwia się pierwotnej zmianie strumienia magnetycznego.

Dla prostego przykładu wyobraź sobie cewkę drutu z zewnętrznym polem magnetycznym skierowanym bezpośrednio w nią z prawej strony (tj. centrum cewki i z liniami pola skierowanymi w lewo), a pole zewnętrzne zwiększa się następnie, ale utrzymuje to samo kierunek. W takim przypadku indukowany prąd w przewodzie popłynie tak, aby wytworzyć pole magnetyczne skierowane z cewki w prawo.

Gdyby zamiast tego pole zewnętrzne zmniejszyło się, indukowany prąd płynąłby tak, aby wytworzyć pole magnetyczne w tym samym kierunku, co pole pierwotne, ponieważ przeciwdziała strumieniowizmianyzamiast po prostu przeciwstawiać się polu. Ponieważ toprzeciwdziała zmianie i niekoniecznie kierunkowi, oznacza to, że czasami tworzy pole w przeciwnym kierunku, a czasami w tym samym.

Możesz użyć reguły prawej ręki (czasami nazywanej regułą uchwytu prawej ręki, aby odróżnić ją od drugiej prawej reguły stosowanej w fizyce) do określenia kierunku wynikowego elektrycznego obecny. Zasada jest dość łatwa do zastosowania: oblicz kierunek pola magnetycznego wytworzonego przez indukowane prąd i skieruj kciuk prawej dłoni w tym kierunku, a następnie zwiń palce do wewnątrz. Kierunek, w którym zginasz palce, to kierunek, w którym prąd przepływa przez cewkę drutu.

Kilka konkretnych przykładów tego, jak prawo Lenza działa w praktyce, pomoże utrwalić te pojęcia i najprostszy jest bardzo podobny do powyższego przykładu: zwój drutu poruszający się do lub z pola magnetycznego. Gdy pętla wejdzie w pole, strumień magnetyczny przez pętlę wzrośnie (w kierunku przeciwnym do ruchu cewki), indukując prąd, który przeciwstawia się szybkości zmiany strumienia, a tym samym wytwarza pole magnetyczne w kierunku jego ruch.

Jeśli cewka porusza się w twoim kierunku, reguła prawej ręki i prawo Lenza pokazują, że prąd płynąłby w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Jeśli cewka się poruszałana zewnątrzpola, zmieniający się strumień magnetyczny byłby w zasadzie stopniową redukcją, a nie wzrostem, więc indukowany byłby dokładnie przeciwny prąd.

Ta sytuacja jest analogiczna do przesuwania magnesu sztabkowego do środka cewki lub ze środka cewki, ponieważ podczas wsuwania magnesu pole byłoby coraz silniejsze, a indukowane pole magnetyczne działałoby, aby przeciwstawić się ruchowi magnesu, a więc przeciwnie do ruchu wskazówek zegara z perspektywy magnes. Podczas wychodzenia ze środka zwoju drutu strumień magnetyczny zmniejszałby się, a indukowane pole magnetyczne pole ponownie działałoby przeciw ruchowi magnesu, tym razem zgodnie z ruchem wskazówek zegara z perspektywy magnesu.

Bardziej skomplikowany przykład dotyczy cewki z drutu obracającej się w stałym polu magnetycznym, ponieważ wraz ze zmianą kąta strumień przepływa przez pętlę. Podczas zmniejszania się strumienia indukowany prąd elektryczny wytworzyłby pole magnetyczne przeciwstawiające się zmianom strumienia, więc byłby on w tym samym kierunku co pole zewnętrzne. Podczas wzrostu strumienia dzieje się odwrotnie i prąd jest indukowany, aby przeciwdziałać wzrostowi strumienia magnetycznego, a więc w kierunku przeciwnym do pola zewnętrznego. Generuje to napięcie przemienne (ponieważ indukowana siła elektromotoryczna przełącza się za każdym razem, gdy pętla obraca się o 180 stopni), a to może być wykorzystywane do generowania prądu przemiennego.

Prąd wirowy to nazwa małych prądów elektrycznych, które są zgodne z prawem Lenza. W szczególności jednak ta nazwa jest używana w odniesieniu do małych, pętlowych prądów w przewodnikach, analogicznych do wirów, które widzisz wokół wioseł podczas wiosłowania w wodzie.

Kiedy przewodnik porusza się w polu magnetycznym – na przykład jak metalowe wahadło kołyszące się między biegunami magnes podkowy – indukowane są prądy wirowe, które zgodnie z prawem Lenza przeciwdziałają efektowi ruch. Prowadzi to do tłumienia magnetycznego (ponieważ indukowane pole koniecznie działa)przeciwkoruch, który go stworzył), które można produktywnie wykorzystać w takich rzeczach, jak magnetyczne układy hamulcowe dla kolejek górskich, ale jest to przyczyną marnowania energii dla urządzeń takich jak generatory i transformatory.

Gdy prądy wirowe muszą zostać zredukowane, przewodnik jest dzielony na wiele odcinków cienkimi warstwami izolacyjnymi, które ograniczają wielkość prądów wirowych i zmniejszają straty energii. Ponieważ jednak prądy wirowe są niezbędną konsekwencją praw Faradaya i Lenza, nie można im całkowicie zapobiec.