Definícia, rovnica a príklady Lenzovho zákona (fyzika)

Heinrich Lenz (tiež označovaný ako Emil Lenz) bol pobaltsko-nemecký fyzik, ktorý nemusí mať slávu niektorých svojich raných Rovesníci z 19. storočia ako Michael Faraday, ktorí však stále prispeli kľúčovým dielom k vyriešeniu záhad elektromagnetizmus.

Zatiaľ čo niektorí jeho rovesníci robili podobné objavy, meno dostalo Lenzovo menoLenzov zákon​ ​z veľkej časti kvôli jeho náročnému zaznamenávaniu poznámok, komplexnej dokumentácii jeho experimentov a oddanosti vedeckej metódena ten čas neobvyklé. Samotný zákon tvorí dôležitú súčasť zákonaFaradayov zákon elektromagnetickej indukciea konkrétne vám poviesmerv ktorej preteká indukovaný prúd.

Zákon by spočiatku mohol byť zložitý, ale akonáhle pochopíte kľúčový koncept, budete v poriadku dostanete sa k oveľa hlbšiemu porozumeniu elektromagnetizmu vrátane praktických problémov, ako je napríklad problém s vírením prúdy.

Faradayov zákon indukcie hovorí, že indukovanýelektromotorická sila(EMF, bežne označované ako „napätie“) v cievke s drôtom (alebo jednoducho okolo slučky) je mínus rýchlosť zmeny magnetického toku cez túto slučku. Matematicky a s nahradením derivácie jednoduchšou „zmenou v“ (reprezentovanou znakom ∆) zákon hovorí:

Kdetje čas,Nje počet závitov v cievke drôtu a phi (ϕ) je magnetický tok. Definícia magnetického toku je pre túto rovnicu dosť dôležitá, takže si treba uvedomiť, že:

ktorá súvisí so silou magnetického poľa,B, do oblasti slučkyAa uhol medzi slučkou a poľom (θ), pričom uhol slučky je definovaný ako kolmý na oblasť (t. j. smerujúci priamo zo slučky). Pretože rovnica zahŕňa cos, je na maximálnej hodnote, keď je pole priamo zarovnané so slučkou, a na 0, keď je kolmá na slučku (t. J. „Zboku“).

Dohromady tieto rovnice ukazujú, že môžete vytvoriť EMF v cievke drôtu zmenou prierezovej plochyA, sila magnetického poľaBalebo uhol medzi oblasťou a magnetickým poľom. Veľkosť indukovaného EMF je priamo úmerná rýchlosti zmeny týchto veličín a samozrejme nemusí ísť iba o jednu z týchto zmien, aby sa indukoval EMF.

Faradayov zákon použil James Clerk Maxwell ako jeden zo svojich štyroch zákonov elektromagnetizmu, hoci sa zvyčajne vyjadruje ako integrálna čiara magnetické pole okolo uzavretej slučky (čo je v podstate ďalší spôsob vyjadrenia indukovaného EMF) a rýchlosť zmeny je vyjadrená ako derivát.

Lenzov zákon je obsiahnutý vo Faradayovom zákone, pretože nám hovorí, akým smerom prúdi indukovaný elektrický prúd. Najjednoduchší spôsob, ako uviesť Lenzov zákon, je to, že zmeny magnetického toku indukujú prúdy v tomto smereoponuje​ ​zmenato to spôsobilo.

Inými slovami, pretože pri prúdení generuje svoje vlastné magnetické pole, smer indukovaný prúd je taký, že nové magnetické pole je v opačnom smere ako zmeny toku vytvoril to. Je to obsiahnuté vo Faradayovom zákone kvôli zápornému znamienku; to vám hovorí, že indukovaný EMF je proti pôvodnej zmene magnetického toku.

Pre jednoduchý príklad si predstavte cievku drôtu s vonkajším magnetickým poľom smerujúcim priamo do nej z pravej strany (t. J. Do cievky a so siločiarami smerujúcimi doľava) a vonkajšie pole sa potom zväčšuje, ale zachováva to isté smer. V takom prípade bude indukovaný prúd v drôte tiecť tak, že vytvorí magnetické pole smerujúce z cievky doprava.

Ak by sa veľkosť vonkajšieho poľa zmenšila, prúdil by indukovaný prúd tak, aby vytváral magnetické pole v rovnakom smere ako pôvodné pole, pretože pôsobí proti toku.zmenynamiesto jednoduchého postavenia sa proti poli. Odvtedypôsobí proti zmene a nie nevyhnutne proti smeru, To znamená, že niekedy vytvára pole v opačnom smere a niekedy v rovnakom smere.

Na odlíšenie môžete použiť pravidlo pre pravú ruku (niekedy sa to nazýva pravidlo pre pravú ruku) druhé pravidlo pravej ruky používané vo fyzike) na určenie smeru výslednej elektrickej energie prúd. Pravidlo sa dá celkom ľahko uplatniť: vypočítajte smer magnetického poľa vytvoreného indukovaným prúd a nasmerujte palec pravej ruky v tomto smere a potom pokrčte prsty dovnútra. Smer, ktorým sa prsty krútia, je smer, ktorým prúd preteká cievkou drôtu.

Niektoré konkrétne príklady toho, ako Lenzovo právo funguje v praxi, pomôžu tieto koncepty upevniť a najjednoduchší je veľmi podobný vyššie uvedenému príkladu: cievka drôtu pohybujúca sa do alebo z magnetického poľa. Keď sa slučka pohybuje do poľa, magnetický tok cez slučku sa zvýši (v opačnom smere ako je pohyb slučky) cievka), indukujúca prúd, ktorý odporuje rýchlosti zmeny toku, a tým vytvára magnetické pole v smere jeho pohyb.

Ak sa cievka pohybuje smerom k vám, pravidlo pravej ruky a Lenzov zákon ukazujú, že prúd by tiekol v smere proti smeru hodinových ručičiek. Ak sa cievka hýbalavonpoľa by bol meniaci sa magnetický tok v podstate postupným znižovaním namiesto zvyšovania, takže by bol indukovaný presne opačný prúd.

Táto situácia je analogická s pohybom tyčového magnetu do alebo zo stredu cievky, pretože pri premiestňovaní magnetu by sa pole zosilnenie a indukované magnetické pole by pôsobilo proti pohybu magnetu, takže proti smeru hodinových ručičiek z pohľadu magnet. Pri pohybe zo stredu cievky drôtu by sa magnetický tok zmenšoval a indukovaný magnetický pole by opäť fungovalo proti pohybu magnetu, tentoraz v smere hodinových ručičiek z pohľadu magnetu.

Komplikovanejší príklad predstavuje cievku drôtu otáčajúcu sa v pevnom magnetickom poli, pretože pri zmene uhla by tiež prechádzal tok slučky. Počas poklesu toku by indukovaný elektrický prúd vytvoril magnetické pole, ktoré by bránilo zmenám toku, takže by bolo v rovnakom smere ako vonkajšie pole. Počas zvyšovania toku sa deje pravý opak a prúd sa indukuje, aby sa postavil proti zvýšeniu magnetického toku, teda opačným smerom ako vonkajšie pole. Toto generuje striedavé napätie (pretože indukovaný EMF sa prepne zakaždým, keď sa slučka otočí o 180 stupňov), a to je možné použiť na generovanie striedavého prúdu.

Vírivý prúd je názov pre malé elektrické prúdy, ktoré sa riadia Lenzovým zákonom. Konkrétne sa tento názov používa v súvislosti s malými opakovanými prúdmi vo vodičoch, ktoré sú analogické s vírmi, ktoré vidíte okolo vesiel pri veslovaní vo vode.

Keď sa vodič pohybuje magnetickým poľom - napríklad ako kovové kyvadlo, ktoré sa pohybuje medzi pólmi magnet podkovy - sú indukované vírivé prúdy a v súlade s Lenzovým zákonom pôsobia proti účinku pohyb. To vedie k magnetickému tlmeniu (pretože indukované pole nevyhnutne fungujeprotipohyb, ktorý ho vytvoril), ktorý sa dá produktívne využiť napríklad v magnetických brzdových systémoch pre horské dráhy, ale je to príčina plytvania energiou pre zariadenia ako generátory a transformátory.

Keď je potrebné znížiť vírivé prúdy, vodič je rozdelený na viac častí tenkými izolačnými vrstvami, ktoré obmedzujú veľkosť vírivých prúdov a znižujú energetické straty. Pretože však vírivé prúdy sú nevyhnutným dôsledkom Faradayových a Lenzových zákonov, nemožno im celkom zabrániť.