Heinrich Lenz (หรือเรียกอีกอย่างว่า Emil Lenz) เป็นนักฟิสิกส์บอลติก - เยอรมันซึ่งอาจไม่มีชื่อเสียงในยุคแรกของเขา เพื่อนร่วมรุ่นจากศตวรรษที่ 19 อย่าง Michael Faraday แต่ยังคงมีส่วนสำคัญในการไขปริศนาของ แม่เหล็กไฟฟ้า
ในขณะที่เพื่อนของเขาบางคนกำลังค้นพบสิ่งที่คล้ายกัน ชื่อของเลนซ์ก็ถูกมอบให้กฎของเลนซ์ ส่วนใหญ่เนื่องจากการจดบันทึกที่จุกจิกของเขา เอกสารที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการทดลองของเขา และการอุทิศให้กับวิธีการทางวิทยาศาสตร์ scientificไม่ธรรมดาสำหรับช่วงเวลานั้น กฎหมายเองเป็นส่วนสำคัญของกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์และบอกคุณโดยเฉพาะว่า specificallyทิศทางซึ่งกระแสเหนี่ยวนำจะไหล
กฎหมายอาจเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจในตอนแรก แต่เมื่อคุณเข้าใจแนวคิดหลักแล้ว คุณก็จะทำได้ดี หนทางสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า รวมถึงประเด็นที่ใช้งานได้จริง เช่น ปัญหาของ Eddy กระแสน้ำ
กฎของฟาราเดย์
กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ระบุว่าการเหนี่ยวนำแรงเคลื่อนไฟฟ้า(EMF หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า "แรงดันไฟฟ้า") ในขดลวด (หรือง่ายๆ รอบวง) เป็นลบด้วยอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านห่วงนั้น ในทางคณิตศาสตร์และแทนที่อนุพันธ์ด้วย "การเปลี่ยนแปลง" ที่ง่ายกว่า (แสดงโดย ∆) กฎหมายระบุว่า:
\text{เหนี่ยวนำ EMF} = −N \frac{∆ϕ}{∆t}
ที่ไหนtเป็นเวลานู๋คือจำนวนรอบในขดลวดและ phi (ϕ) คือฟลักซ์แม่เหล็ก คำจำกัดความของฟลักซ์แม่เหล็กมีความสำคัญมากสำหรับสมการนี้ ดังนั้นจึงควรจำไว้ว่า:
ϕ = \bm{B ∙ A} = BA \cos (θ)
ซึ่งเกี่ยวข้องกับความแรงของสนามแม่เหล็กบี, ไปยังพื้นที่ของวงอาและมุมระหว่างลูปกับสนาม (θ) โดยกำหนดมุมของลูปให้ตั้งฉากกับพื้นที่ (กล่าวคือ ชี้ออกจากลูปตรงๆ) เนื่องจากสมการเกี่ยวข้องกับ cos จึงอยู่ที่ค่าสูงสุดเมื่อฟิลด์ถูกจัดแนวโดยตรงกับลูป และที่ 0 เมื่อตั้งฉากกับลูป (เช่น “ไซด์-ออน”)
เมื่อนำมารวมกัน สมการเหล่านี้แสดงว่าคุณสามารถสร้าง EMF ในขดลวดได้โดยการเปลี่ยนพื้นที่หน้าตัดอา, ความแรงของสนามแม่เหล็กบีหรือมุมระหว่างพื้นที่กับสนามแม่เหล็ก ขนาดของ EMF ที่เหนี่ยวนำจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของปริมาณเหล่านี้ และแน่นอนว่าไม่จำเป็นต้องเป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เพื่อกระตุ้น EMF
กฎของฟาราเดย์ถูกใช้โดย James Clerk Maxwell ให้เป็นหนึ่งในสี่กฎของแม่เหล็กไฟฟ้า แม้ว่ามักจะแสดงเป็นอินทิกรัลเส้นของ สนามแม่เหล็กรอบวงปิด (ซึ่งเป็นอีกวิธีหนึ่งในการบอก EMF ที่เหนี่ยวนำ) และอัตราการเปลี่ยนแปลงจะแสดงเป็น อนุพันธ์
กฎของเลนซ์
กฎของเลนซ์ถูกห่อหุ้มอยู่ในกฎของฟาราเดย์ เพราะมันบอกเราถึงทิศทางที่กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะไหล วิธีที่ง่ายที่สุดในการระบุกฎของเลนซ์คือการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กทำให้เกิดกระแสในทิศทางที่คัดค้าน การเปลี่ยนแปลงที่ก่อให้เกิดมัน
กล่าวอีกนัยหนึ่งเพราะเมื่อกระแสไหลจะสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองทิศทางของ กระแสเหนี่ยวนำนั้นทำให้สนามแม่เหล็กใหม่อยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ที่ สร้างมัน มันถูกห่อหุ้มไว้ในกฎของฟาราเดย์เนื่องจากเครื่องหมายลบ สิ่งนี้บอกคุณว่า EMF ที่เหนี่ยวนำจะต่อต้านการเปลี่ยนแปลงดั้งเดิมของฟลักซ์แม่เหล็ก
ตัวอย่างเช่น ลองนึกภาพขดลวดที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกชี้ตรงเข้ามาจากด้านขวามือ (กล่าวคือ เข้าไปใน ศูนย์กลางของขดลวดและมีเส้นสนามชี้ไปทางซ้าย) และสนามภายนอกเพิ่มขนาดขึ้นแต่ยังคงเดิม ทิศทาง. ในกรณีนี้ กระแสเหนี่ยวนำในเส้นลวดจะไหลเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่ชี้ออกจากขดลวดไปทางขวา
ถ้าสนามภายนอกลดขนาดลงแทน กระแสเหนี่ยวนำจะไหลเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กไปในทิศทางเดียวกับสนามเดิม เพราะมันต้านฟลักซ์การเปลี่ยนแปลงมากกว่าแค่ต่อต้านสนาม ตั้งแต่มันต่อต้านการเปลี่ยนแปลงและไม่จำเป็นต้องเป็นทิศทางซึ่งหมายความว่าบางครั้งมันสร้างสนามในทิศทางตรงกันข้ามและบางครั้งก็ไปในทิศทางเดียวกัน
คุณสามารถใช้กฎของมือขวา (บางครั้งเรียกว่ากฎของมือขวาเพื่อแยกความแตกต่างจาก กฎมือขวาอีกอันที่ใช้ในฟิสิกส์) เพื่อกำหนดทิศทางของไฟฟ้าที่ได้ ปัจจุบัน. กฎนี้ใช้ง่ายมาก: หาทิศทางของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยตัวเหนี่ยวนำ ปัจจุบันและชี้นิ้วหัวแม่มือของมือขวาไปในทิศทางนั้น จากนั้นขดนิ้วเข้าด้านใน ทิศทางที่นิ้วของคุณขดเป็นทิศทางที่กระแสไหลผ่านขดลวด
ตัวอย่างกฎของเลนซ์
ตัวอย่างที่เป็นรูปธรรมบางประการเกี่ยวกับวิธีการทำงานของกฎของเลนซ์ในทางปฏิบัติจะช่วยประสานแนวความคิดและ ที่ง่ายที่สุดคล้ายกับตัวอย่างข้างต้น: ขดลวดเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากสนามแม่เหล็ก เมื่อลูปเคลื่อนเข้าสู่สนาม ฟลักซ์แม่เหล็กที่ไหลผ่านลูปจะเพิ่มขึ้น (ในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของ ขดลวด) เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสที่ต้านอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในทิศทางของมัน การเคลื่อนไหว
หากขดลวดเคลื่อนที่เข้าหาคุณ กฎมือขวาและกฎของเลนซ์แสดงว่ากระแสจะไหลในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา ถ้าขดลวดเคลื่อนที่ออกของสนาม ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปโดยพื้นฐานแล้วจะเป็นการลดลงทีละน้อยแทนที่จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจะเหนี่ยวนำกระแสตรงข้ามที่แน่นอน
สถานการณ์นี้เปรียบได้กับการเคลื่อนแท่งแม่เหล็กเข้าหรือออกจากศูนย์กลางของขดลวด เพราะเมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าสนามจะเป็น แรงขึ้นและสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำจะทำงานเพื่อต่อต้านการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก ดังนั้น ทวนเข็มนาฬิกาจากมุมมองของ แม่เหล็ก. เมื่อเคลื่อนออกจากศูนย์กลางของขดลวด ฟลักซ์แม่เหล็กจะลดลงและแม่เหล็กเหนี่ยวนำ สนามจะทำงานอีกครั้งเพื่อต่อต้านการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก คราวนี้ตามเข็มนาฬิกาจากมุมมองของแม่เหล็ก
ตัวอย่างที่ซับซ้อนกว่านั้นเกี่ยวข้องกับขดลวดที่หมุนในสนามแม่เหล็กคงที่ เนื่องจากเมื่อมุมเปลี่ยนไป ฟลักซ์ที่ไหลผ่านวงจรก็เช่นกัน ระหว่างการลดลงของฟลักซ์ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กเพื่อต่อต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ ดังนั้นจะเป็นไปในทิศทางเดียวกับสนามภายนอก ระหว่างการเพิ่มขึ้นของฟลักซ์ สิ่งตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นและกระแสถูกเหนี่ยวนำให้ต่อต้านการเพิ่มขึ้นของฟลักซ์แม่เหล็ก ดังนั้นในทิศทางตรงกันข้ามกับสนามภายนอก สิ่งนี้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าสลับ (เนื่องจาก EMF เหนี่ยวนำจะสลับทุกครั้งที่ลูปหมุน 180 องศา) และสามารถใช้เพื่อสร้างกระแสสลับได้
กฎของเลนซ์และกระแสน้ำวน
กระแสน้ำวนเป็นชื่อของกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กที่เป็นไปตามกฎของเลนซ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แม้ว่าชื่อนี้จะใช้อ้างอิงถึงกระแสน้ำวนเล็กๆ ในตัวนำไฟฟ้า ซึ่งคล้ายกับกระแสน้ำวนที่คุณเห็นรอบๆ พายขณะพายเรือในน้ำ
เมื่อตัวนำเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก เช่น ลูกตุ้มโลหะที่แกว่งไปมาระหว่างขั้วของ แม่เหล็กเกือกม้า – เกิดกระแสน้ำวน และตามกฎของเลนซ์ สิ่งเหล่านี้จะต่อต้านผลกระทบของ การเคลื่อนไหว สิ่งนี้นำไปสู่การหน่วงแม่เหล็ก (เนื่องจากสนามเหนี่ยวนำจำเป็นต้องทำงานinducedต่อต้านการเคลื่อนไหวที่สร้างขึ้น) ซึ่งสามารถนำไปใช้อย่างมีประสิทธิผลในสิ่งต่างๆ เช่น ระบบเบรกแม่เหล็ก สำหรับรถไฟเหาะ แต่เป็นสาเหตุของการสูญเสียพลังงานสำหรับอุปกรณ์เช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้า
เมื่อจำเป็นต้องลดกระแสไหลวน ตัวนำจะถูกแยกออกเป็นหลายส่วนด้วยชั้นฉนวนบาง ๆ ซึ่งจำกัดขนาดของกระแสน้ำวนและลดการสูญเสียพลังงาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระแสน้ำวนเป็นผลจำเป็นจากกฎหมายของฟาราเดย์และเลนซ์ จึงไม่สามารถป้องกันได้ทั้งหมด