Heinrich Lenz (denumit și Emil Lenz) a fost un fizician baltic-german care s-ar putea să nu aibă faima unora dintre primii săi Colegi din secolul al XIX-lea ca Michael Faraday, dar care au contribuit în continuare la o piesă cheie pentru rezolvarea misterelor electromagnetism.
În timp ce unii dintre colegii săi făceau descoperiri similare, numele lui Lenz a fost datLegea lui Lenz în mare parte datorită luării sale rapide de note, a documentației cuprinzătoare a experimentelor sale și a dedicării sale pentru metoda științificăneobișnuit pentru timp. Legea în sine constituie o parte importantă aLegea Faraday a inducției electromagnetice, și vă spune în mod specificdirecţieîn care curge curentul indus.
S-ar putea ca legea să fie dificil să-ți dai seama la început, dar odată ce înțelegi conceptul cheie, vei fi bine drumul către o înțelegere mult mai profundă a electromagnetismului, inclusiv probleme practice precum problema turbionului curenți.
Legea lui Faraday
Legea inducției Faraday afirmă că indusul
forta electromotoare(CEM, denumit în mod obișnuit „tensiune”) într-o bobină de sârmă (sau pur și simplu, în jurul unei bucle) este minus rata de schimbare a fluxului magnetic prin acea buclă. Matematic, și înlocuind derivata cu o „schimbare” mai simplă (reprezentată de ∆), legea afirmă:\ text {EMF indus} = −N \ frac {∆ϕ} {∆t}
Undeteste timpul,Neste numărul de rotații în bobina firului și phi (ϕ) este fluxul magnetic. Definiția fluxului magnetic este destul de importantă pentru această ecuație, deci merită să ne amintim că este:
ϕ = \ bm {B ∙ A} = BA \ cos (θ)
care raportează puterea câmpului magnetic,B, la zona bucleiA, și unghiul dintre buclă și câmp (θ), cu unghiul buclei definit ca perpendicular pe zonă (adică, îndreptat direct din buclă). Deoarece ecuația implică cos, este la valoarea maximă atunci când câmpul este direct aliniat cu bucla și la 0 când este perpendicular pe buclă (adică „lateral”).
Luate împreună, aceste ecuații arată că puteți crea un EMF într-o bobină de sârmă schimbând aria secțiunii transversaleA, puterea câmpului magneticB, sau unghiul dintre zonă și câmpul magnetic. Magnitudinea CEM indusă este direct proporțională cu rata de schimbare a acestor cantități și, bineînțeles, nu trebuie să fie doar una dintre aceste schimbări pentru a induce CEM.
Legea lui Faraday a fost folosită de James Clerk Maxwell ca una dintre cele patru legi ale sale electromagnetismului, deși este de obicei exprimată ca integrală de linie a câmpul magnetic din jurul unei bucle închise (care este în esență un alt mod de a spune EMF indus) și rata de schimbare este exprimată ca derivat.
Legea lui Lenz
Legea lui Lenz este încapsulată în legea lui Faraday deoarece ne spune direcția în care curge curentul electric indus. Cea mai simplă modalitate de a enunța legea lui Lenz este că modificările fluxului magnetic induc curenți într-o direcție carese opune schimbareaasta a provocat-o.
Cu alte cuvinte, deoarece atunci când curentul curge generează propriul său câmp magnetic, direcția curentul indus este de așa natură încât noul câmp magnetic se află într-o direcție opusă schimbărilor de flux care l-a creat. Este încapsulat în legea lui Faraday din cauza semnului negativ; acest lucru vă spune că EMF indus se opune schimbării inițiale a fluxului magnetic.
Pentru un exemplu simplu, imaginați-vă o bobină de sârmă cu un câmp magnetic extern îndreptat direct în ea din partea dreaptă (adică în centrul bobinei și cu liniile de câmp îndreptate spre stânga), iar câmpul extern crește în magnitudine, dar menține același direcţie. În acest caz, curentul indus în fir va curge astfel încât să producă un câmp magnetic îndreptat spre bobină spre dreapta.
Dacă câmpul extern ar scădea în mărime, curentul indus ar curge astfel încât să producă un câmp magnetic în aceeași direcție ca și câmpul original, deoarece contracarează fluxulschimbărimai degrabă decât să se opună pur și simplu câmpului. De candcontracarează schimbarea și nu neapărat direcția, asta înseamnă că uneori creează un câmp în direcția opusă și alteori în aceeași direcție.
Puteți utiliza regula mâinii drepte (uneori numită regula mânerului drept pentru a o deosebi de cealaltă regulă a mâinii drepte folosită în fizică) pentru a determina direcția electricului rezultat actual. Regula este destul de ușor de aplicat: calculați direcția câmpului magnetic creat de indus curent și îndreaptă degetul mare al mâinii drepte în acea direcție, apoi îndoaie degetele spre interior. Direcția de curbare a degetelor este direcția curentului curge prin bobina de sârmă.
Exemple de Lege ale lui Lenz
Câteva exemple concrete despre cum funcționează legea lui Lenz în practică vor ajuta la consolidarea conceptelor și a cel mai simplu este foarte asemănător cu exemplul de mai sus: o bobină de sârmă care se deplasează în sau în afara unui câmp magnetic. Pe măsură ce bucla se deplasează în câmp, fluxul magnetic prin buclă va crește (în direcția opusă mișcării bobină), inducând un curent care se opune ratei de schimbare a fluxului și creează astfel un câmp magnetic în direcția sa mişcare.
Dacă bobina se deplasează spre tine, regula din dreapta și legea lui Lenz arată că curentul ar circula în sens invers acelor de ceasornic. Dacă bobina se mișcaafarăa câmpului, fluxul magnetic în schimbare ar fi în esență o reducere treptată în loc de o creștere, astfel încât ar fi indus exact curentul opus.
Această situație este similară cu deplasarea unui magnet de bară în sau în afara centrului unei bobine, deoarece atunci când se deplasează magnetul, câmpul ar fi devine mai puternic și câmpul magnetic indus ar funcționa pentru a se opune mișcării magnetului, deci, în sens invers acelor de ceasornic din perspectiva magnet. La ieșirea din centrul bobinei de sârmă, fluxul magnetic ar fi în scădere și magnetul indus câmpul ar funcționa din nou pentru a se opune mișcării magnetului, de data aceasta în sensul acelor de ceasornic din perspectiva magnetului.
Un exemplu mai complicat implică o bobină de sârmă care se rotește într-un câmp magnetic fix, deoarece pe măsură ce unghiul se schimbă, fluxul prin buclă ar fi și el. În timpul scăderii fluxului, curentul electric indus ar crea un câmp magnetic pentru a se opune schimbărilor de flux, deci ar fi în aceeași direcție ca și câmpul extern. În timpul creșterii fluxului, se întâmplă opusul și curentul este indus să se opună creșterii fluxului magnetic, deci în direcția opusă câmpului extern. Aceasta generează o tensiune alternativă (deoarece EMF comutat de fiecare dată când bucla se rotește cu 180 de grade), iar aceasta poate fi utilizată pentru a genera curent alternativ.
Legea lui Lenz și Eddy Currents
Un curent turbionar este numele micilor curenți electrici care respectă legea lui Lenz. În special, totuși, acest nume este folosit pentru a face referire la curenți mici, în buclă, în conductori analogi vârtejurilor pe care le vedeți în jurul vâslelor dvs. când vâslați în apă.
Când un conductor este deplasat printr-un câmp magnetic - de exemplu, ca un pendul metalic care se leagănă între polii din un magnet de potcoavă - sunt induși curenți turbionari și, în conformitate cu legea lui Lenz, aceștia contracarează efectul mişcare. Acest lucru duce la amortizarea magnetică (deoarece câmpul indus funcționează în mod necesarîmpotrivamișcarea care a creat-o), care poate fi utilizată productiv în lucruri precum sistemele de frânare magnetică pentru roller-coastere, dar este o cauză a energiei irosite pentru dispozitive precum generatoarele și transformatoarele.
Atunci când curenții turbionari trebuie să fie reduși, conductorul este separat în mai multe secțiuni prin straturi izolante subțiri, care limitează dimensiunea curenților turbionari și reduc pierderile de energie. Cu toate acestea, deoarece curenții turbionari sunt o consecință necesară a legilor lui Faraday și Lenz, nu pot fi prevenite în totalitate.