Heinrich Lenz (imenovan tudi Emil Lenz) je bil baltsko-nemški fizik, ki morda ni imel slave nekaterih svojih zgodnjih Vrstniki iz 19. stoletja, kot je Michael Faraday, ki pa so kljub vsemu prispevali k reševanju skrivnosti elektromagnetizem.
Medtem ko so nekateri njegovi vrstniki odkrivali podobna odkritja, je Lenzovo ime dobilLenzov zakon v veliki meri zaradi njegovega previdnega zapisovanja, izčrpne dokumentacije o njegovih poskusih in predanosti znanstveni metodinenavadno za tisti čas. Zakon sam je pomemben delFaradayev zakon elektromagnetne indukcije, in vam posebej povesmerv katerem teče inducirani tok.
Po zakonu se sprva morda težko spravite v glavo, toda ko boste razumeli ključni koncept, boste dobro svojo pot do globljega razumevanja elektromagnetizma, vključno s praktičnimi vprašanji, kot je problem vrtinčenja tokovi.
Faradayev zakon
Faradayev zakon indukcije pravi, da induciranaelektromotorna sila(EMF, običajno imenovana tudi "napetost") v tuljavi žice (ali preprosto okoli zanke) je zmanjšana za hitrost spremembe magnetnega pretoka skozi to zanko. Matematično in zakon nadomešča izpeljanko s preprostejšo "spremembo v" (ki jo predstavlja ∆) pravi:
\ text {inducirani EMF} = -N \ frac {∆ϕ} {∆t}
Kjetje čas,Nje število zavojev v tuljavi žice in phi (ϕ) je magnetni tok. Opredelitev magnetnega pretoka je za to enačbo zelo pomembna, zato si je treba zapomniti, da je:
ϕ = \ bm {B ∙ A} = BA \ cos (θ)
ki povezuje jakost magnetnega polja,B, na območje zankeA, in kot med zanko in poljem (θ), pri čemer je kot zanke opredeljen pravokotno na območje (tj. usmerjen naravnost iz zanke). Ker enačba vključuje cos, je pri največji vrednosti, kadar je polje neposredno poravnano z zanko, in pri 0, če je pravokotno na zanko (tj. "Ob strani").
Te enačbe skupaj kažejo, da lahko v tuljavi žice ustvarite EMF tako, da spremenite površino presekaA, jakost magnetnega poljaBali kot med območjem in magnetnim poljem. Velikost induciranega elektromagnetnega sevanja je neposredno sorazmerna s hitrostjo sprememb teh količin in seveda ni nujno, da se le ena od teh spreminja, da bi povzročila EMF.
Faradayev zakon je James Clerk Maxwell uporabil kot enega od svojih štirih zakonov elektromagnetizma, čeprav je običajno izražen kot linijski integral magnetno polje okoli zaprte zanke (kar je v bistvu drug način, da rečemo, da je inducirana EMF) in hitrost spremembe izražena kot izpeljanka.
Lenzov zakon
Lenzov zakon je vključen v Faradayev zakon, ker nam pove, v katero smer teče inducirani električni tok. Lenzov zakon je najpreprosteje zapisati tako, da spremembe magnetnega pretoka inducirajo tokove v smeri, kinasprotuje spremembaki je to povzročilo.
Z drugimi besedami, ker ko tok teče, ustvarja lastno magnetno polje, smer smeri inducirani tok je tak, da je novo magnetno polje v nasprotni smeri, kot se spreminja tok ustvaril. Zaradi negativnega predznaka je vključen v Faradayev zakon; to vam pove, da inducirani EMF nasprotuje prvotni spremembi magnetnega pretoka.
Za preprost primer si predstavljajte tuljavo z zunanjim magnetnim poljem, ki je usmerjeno naravnost vanjo z desne strani (tj. V središče tuljave in s poljskimi črtami, usmerjenimi v levo), zunanje polje pa se nato povečuje, vendar ohranja enako smer. V tem primeru bo inducirani tok v žici tekel tako, da bo ustvaril magnetno polje, usmerjeno iz tuljave v desno.
Če bi se zunanje polje namesto tega zmanjšalo, bi inducirani tok tekel tako, da bi ustvaril magnetno polje v isti smeri kot prvotno polje, ker preprečuje tokspremembenamesto da bi preprosto nasprotovali terenu. Odkar jenasprotuje spremembi in ne nujno smeri, to pomeni, da včasih ustvari polje v nasprotni smeri in včasih v isto smer.
Za razlikovanje lahko uporabite pravilo desne roke (včasih imenovano pravilo desnega oprijema) drugo pravilo desnice, ki se uporablja v fiziki) za določitev smeri nastalega električnega trenutno. Pravilo je zelo enostavno uporabiti: določite smer magnetnega polja, ki ga ustvarja inducirano tok in usmerite palec desne roke v to smer, nato pa prste zvijte navznoter. Smer, v kateri se zvijajo vaši prsti, je smer, v kateri tok teče skozi tuljavo žice.
Primeri Lenzovega zakona
Nekateri konkretni primeri, kako Lenzov zakon deluje v praksi, bodo pomagali utrditi koncepte in Najenostavnejši je zelo podoben zgornjemu primeru: tuljava žice, ki se premika v magnetno polje ali iz njega. Ko se zanka premakne v polje, se bo magnetni tok skozi zanko povečal (v nasprotni smeri gibanja tuljava), ki inducira tok, ki nasprotuje hitrosti spremembe toka in tako ustvari magnetno polje v smeri njegovega gibanje.
Če se tuljava premika proti vam, pravilo desnice in Lenzov zakon kažeta, da bi tok tekel v nasprotni smeri urnega kazalca. Če bi se tuljava premikalavenpolja bi bil spreminjajoči se magnetni tok v bistvu postopno zmanjševanje namesto povečanja, zato bi bil induciran ravno nasprotni tok.
Ta situacija je analogna premikanju palčnega magneta v ali iz središča tuljave, ker bi bilo pri premikanju magneta polje močnejše in inducirano magnetno polje bi nasprotovalo gibanju magneta, zato v nasprotni smeri urnega kazalca z vidika magnet. Pri premikanju iz središča tuljave žice bi se magnetni tok zmanjšal in induciran magnetni tok polje bi spet delovalo v nasprotju z gibanjem magneta, tokrat v smeri urnega kazalca z vidika magneta.
Bolj zapleten primer vključuje tuljavo žice, ki se vrti v fiksnem magnetnem polju, saj bi se ob spreminjanju kota spreminjal tudi tok skozi zanko. Med zmanjšanjem pretoka bi inducirani električni tok ustvaril magnetno polje, ki bi se upiralo spremembam pretoka, zato bi bilo v isti smeri kot zunanje polje. Med povečanjem pretoka se zgodi nasprotno in tok se inducira, da nasprotuje povečanju magnetnega pretoka, torej v nasprotni smeri od zunanjega polja. To ustvarja izmenično napetost (ker se inducirani EMF preklopi vsakič, ko se zanka zavrti za 180 stopinj), to pa lahko uporabimo za ustvarjanje izmeničnega toka.
Lenzov zakon in vrtinčni tokovi
Vrtinčasti tok je ime za majhne električne tokove, ki upoštevajo Lenzov zakon. Zlasti pa se to ime uporablja za sklicevanje na majhne tokove v vodnikih, ki so analogni vrtincem, ki jih vidite med vesli, ko veslate v vodi.
Ko se vodnik premika skozi magnetno polje - na primer kot kovinsko nihalo, ki se niha med polovoma podkve magnet - inducirajo se vrtinčni tokovi, ki v skladu z Lenzovim zakonom izničijo učinek gibanje. To vodi do magnetnega dušenja (saj inducirano polje nujno delujeprotigibanje, ki ga je ustvarilo), ki se lahko produktivno uporablja pri stvareh, kot so magnetni zavorni sistemi za tobogane, vendar je vzrok zapravljene energije za naprave, kot so generatorji in transformatorji.
Ko je treba vrtinčne tokove zmanjšati, je prevodnik ločen na več odsekov s tankimi izolacijskimi plastmi, ki omejujejo velikost vrtinčnih tokov in zmanjšujejo izgubo energije. Ker pa so vrtinčni tokovi nujna posledica Faradayevih in Lenzovih zakonov, jih ni mogoče popolnoma preprečiti.