Lenzs Law (Physics) Definition, ligning & eksempler

Heinrich Lenz (også omtalt som Emil Lenz) var en baltisk-tysk fysiker, der måske ikke har berømmelsen af nogle af hans tidlige 19. århundrede kammerater som Michael Faraday, men som fortsat bidrog med et vigtigt stykke til løsning af elektromagnetismens mysterier.

Mens nogle af hans kammerater gjorde lignende opdagelser, blev Lenz's navn givet til Lenz's lov i vid udstrækning på grund af hans hurtige notat, omfattende dokumentation af hans eksperimenter og en dedikation til den videnskabelige metode ualmindelig for tiden. Loven i sig selv udgør en vigtig del af Faradays lov om elektromagnetisk induktion og fortæller dig specifikt retningen, hvorpå den inducerede strøm flyder.

Loven kan være svær at få dit hoved rundt i først, men når du først har forstået nøglekonceptet, er du godt på vej til en meget dybere forståelse af elektromagnetisme, herunder praktiske spørgsmål som problemet med hvirvelstrømme.
Faradays lov |

Faradays lov om induktion siger, at den inducerede elektromotoriske kraft
(EMF, ofte benævnt "spænding") i en trådspole (eller ganske enkelt omkring en løkke) er minus hastigheden for ændring af magnetisk flux gennem denne løkke. Matematisk og erstatning af derivatet med en enklere “ændring i” (repræsenteret af ∆), hedder loven:
\\ text {induced EMF} \u003d −N \\ frac {∆ϕ} {∆t}

Hvor < em> t
er tid, N
er antallet af omdrejninger i spiralen af wire og phi (ϕ) er den magnetiske flux. Definitionen på magnetisk flux er temmelig vigtig for denne ligning, så det er værd at huske, at det er:
ϕ \u003d \\ bm {B ∙ A} \u003d BA \\ cos (θ)

, der relaterer magnetfeltets styrke, B
, til området med løkken A
, og vinklen mellem løkken og feltet ( θ
), med løkkevinklen defineret som vinkelret på område (dvs. peger lige ud af løkken). Da ligningen involverer cos, er den ved den maksimale værdi, når feltet er direkte på linje med løkken, og ved 0, når det er vinkelret på loopen (dvs. "side-on").

Sammen samlet er disse ligninger viser, at du kan oprette en EMF i en trådspole ved at ændre tværsnitsområdet A
, styrken af magnetfeltet B
eller vinklen mellem området og magnetfelt. Størrelsen af den inducerede EMF er direkte proportional med ændringshastigheden for disse mængder, og det behøver selvfølgelig ikke bare være en af disse ændringer for at inducere EMF.

Faradays lov blev brugt af James Clerk Maxwell som en af sine fire love om elektromagnetisme, selvom det normalt udtrykkes som linieintegralet af magnetfeltet omkring en lukket sløjfe (hvilket i det væsentlige er en anden måde at sige den inducerede EMF) og ændringshastigheden udtrykkes som en derivat.
Lenz's Law

Lenz's lov er indkapslet i Faradays lov, fordi den fortæller os, i hvilken retning den inducerede elektriske strøm flyder. Den enkleste måde at angive Lenz's lov er, at ændringer i magnetisk flux inducerer strømme i en retning, der er imod ændringen, der har forårsaget den.

Med andre ord, fordi når strømmen strømmer, genererer det sit eget magnetiske felt, retningen af den inducerede strøm er sådan, at det nye magnetfelt er i en modsat retning end de fluxændringer, der skabte det. Det er indkapslet i Faradays lov på grund af det negative tegn; dette fortæller dig, at den inducerede EMF er imod den oprindelige ændring i magnetisk flux.

For et simpelt eksempel, forestil dig en trådspole med et eksternt magnetfelt, der peger direkte ind i det fra højre side (dvs. ind i midten af spolen og med feltlinjerne pegende til venstre), og det ydre felt stiger derefter i størrelse men opretholder den samme retning. I dette tilfælde vil den inducerede strøm i ledningen strømme for at frembringe et magnetfelt, der peger ud af spolen til højre.

Hvis det ydre felt i stedet faldt i størrelse, ville den inducerede strøm flyde således, at at fremstille et magnetfelt i samme retning som det originale felt, fordi det modvirker flux ændringer
snarere end blot at modsætte sig feltet. Da det modvirker ændringen og ikke nødvendigvis retningen, betyder det, at det undertiden skaber et felt i den modsatte retning og undertiden i den samme retning.

Du kan bruge den højre regel (nogle gange kaldet den højre hånd greb regel for at skelne den fra den anden højre regel brugt i fysik) for at bestemme retningen af den resulterende elektriske strøm. Reglen er ret nem at anvende: Arbejd retningen på det magnetiske felt, der er oprettet af den inducerede strøm, og peg tommelfingeren på din højre hånd i den retning, og krul derefter fingrene indad. Retningen, som dine fingre krøller, er retningen, som strømmen flyder gennem trådspolen.
Eksempler på Lenz's lov |

Nogle konkrete eksempler på, hvordan Lenz's lov fungerer i praksis, vil hjælpe med at cementere koncepterne, og de enkleste ligner meget eksemplet ovenfor: en trådspole, der bevæger sig ind eller ud af et magnetfelt. Når løkken løber ind i feltet, vil den magnetiske flux gennem løkken stige (i modsat retning af spiralens bevægelse), hvilket inducerer en strøm, der modsætter sig fluxens ændringshastighed, og skaber således et magnetfelt i retningen af dens bevægelse.

Hvis spolen bevæger sig mod dig, viser højre regel og Lenz's lov, at strømmen ville flyde i retning mod uret. Hvis spolen bevægede ud af marken, ville den skiftende magnetiske flux dybest set være en gradvis reduktion i stedet for en stigning, så den nøjagtige modsatte strøm ville blive fremkaldt.

Denne situation er analog at flytte en stangmagnet ind i eller ud af midten af en spole, fordi når man flytter magneten ind, ville feltet blive stærkere, og det inducerede magnetfelt ville arbejde imod magnetens bevægelse, så mod uret fra perspektiv af magneten. Når man bevæger sig ud af midten af trådspolen, ville magnetfluxen falde, og det inducerede magnetfelt igen ville arbejde på at modstå magnetens bevægelse, denne gang med uret fra perspektivet af magneten.

Et mere kompliceret eksempel involverer en spiral af tråd, der roterer i et fast magnetfelt, fordi når vinklen ændres, ville fluxen gennem løkken også. Under faldet i flux ville den inducerede elektriske strøm skabe et magnetfelt til at modsætte sig fluxændringerne, så det ville være i samme retning som det ydre felt. Under stigningen i flux sker det modsatte, og strømmen induceres til at modsætte sig stigningen i magnetisk flux, så i modsat retning fra det ydre felt. Dette genererer en vekslingsspænding (fordi den inducerede EMF skifter hver gang sløjfen roterer 180 grader), og dette kan bruges til at generere vekselstrøm.
Lenz's Law and Eddy Currents

En hvirvelstrøm er navnet for de små elektriske strømme, der overholder Lenz's lov. Dog navnlig bruges dette navn i henvisning til små, loopende strømme i ledere, der er analoge med virvlerne, som du ser omkring dine årer, når du roder i vand.

Når en leder flyttes gennem et magnetfelt - for som en metalpendel, der svinger mellem polerne i en hestesko-magnet - virvelstrømme induceres, og i tråd med Lenz's lov modvirker disse bevægelsens virkning. Dette fører til magnetisk dæmpning (da det inducerede felt nødvendigvis virker imod bevægelsen, der skabte det), som kan bruges produktivt i ting som magnetiske bremsesystemer til rutsjebaner, men det er en årsag til spildt energi til enheder som generatorer og transformere.

Når hvirvelstrømme skal reduceres, adskilles lederen i flere sektioner af tynde isolerende lag, som begrænser størrelsen af hvirvelstrømmene og reducerer energitab. Da hvirvelstrømme er en nødvendig konsekvens af Faradays og Lenz's love, kan de imidlertid ikke helt forhindres.