Lenzův zákon - Lenz's law

Lenzův zákon udává směr proudu ve smyčce vodiče indukovaného nepřímo změnou magnetického toku smyčkou. Jsou možné scénáře a, b, c, d a e. Scénář f je nemožný kvůli zákonu zachování energie . Náboje (elektrony) ve vodiči nejsou tlačeny do pohybu přímo změnou toku, ale kruhovým elektrickým polem (není na obrázku) obklopujícím celkové magnetické pole indukčních a indukovaných magnetických polí. Toto celkové magnetické pole indukuje elektrické pole.
Články o
Elektromagnetismus
Solenoid
Elektrostatika
Magnetostatika
Elektrodynamika
Elektrická síť
Kovariantní formulace
Vědci

Lenzův zákon , pojmenovaný fyzik Emil Lenz (čti / l ɛ n t y / ), který je formulován v roce 1834, uvádí, že směr elektrického proudu indukovaného v vodiči o měnícím se magnetickém poli je taková, že magnetické pole vytvořené indukovaným proudem je proti změnám počátečního magnetického pole.

Je to kvalitativní zákon, který určuje směr indukovaného proudu, ale neuvádí nic o jeho velikosti. Lenzův zákon předpovídá směr mnoha efektů v elektromagnetismu , například směr napětí indukovaného v induktoru nebo drátové smyčce měnícím se proudem nebo tažná síla vířivých proudů vyvíjená na pohybující se objekty v magnetickém poli.

Lenzův zákon lze považovat za analogický s Newtonovým třetím zákonem v klasické mechanice a Le Chatelierovým principem v chemii.

Definice

Lenzův zákon uvádí, že proud indukovaný v obvodu v důsledku změny magnetického pole je směrován tak, aby bránil změně toku a vyvíjel mechanickou sílu, která brání pohybu.

Lenzův zákon je obsažen v přísném zpracování Faradayova indukčního zákona (velikost EMF indukovaného v cívce je úměrná rychlosti změny magnetického pole), kde nachází vyjádření záporným znaménkem:

což naznačuje, že indukovaná elektromotorická síla a rychlost změny magnetického toku mají opačné znaky.

To znamená, že směr zpětného EMF indukovaného pole je proti měnícímu se proudu, který je jeho příčinou. DJ Griffiths to shrnul následovně: Příroda nesnáší změnu toku.

Pokud změna magnetického pole proudu i 1 vyvolá další elektrický proud , i 2 , směr i 2 je opačný ke změně v i 1 . Pokud jsou tyto proudy ve dvou koaxiálních kruhových vodičích ℓ 1 respektive ℓ 2 a oba jsou zpočátku 0, pak se proudy i 1 a i 2 musí otáčet opačně. Protichůdné proudy se ve výsledku navzájem odpuzují.

Příklad

Magnetická pole ze silných magnetů mohou v měděné nebo hliníkové trubce vytvářet protiběžné proudy. To se projeví upuštěním magnetu potrubím. Sestup magnetu uvnitř trubky je pozorovatelně pomalejší, než když spadne mimo trubku.

Když je napětí generováno změnou magnetického toku podle Faradayova zákona, polarita indukovaného napětí je taková, že vytváří proud, jehož magnetické pole je proti změně, která jej vytváří. Indukované magnetické pole uvnitř jakékoli smyčky drátu vždy působí tak, že udržuje magnetický tok ve smyčce konstantní. Směr indukovaného proudu lze určit pomocí pravidla pravé ruky a ukázat, kterým směrem toku proudu by vzniklo magnetické pole, které by bylo proti směru měnícího se toku smyčkou. V níže uvedených příkladech, pokud se tok zvyšuje, indukované pole působí proti němu. Pokud klesá, indukované pole působí ve směru aplikovaného pole, aby se postavilo proti změně.

Podrobná interakce nábojů v těchto proudech

Hliníkový prstenec se pohybuje elektromagnetickou indukcí, čímž demonstruje Lenzův zákon.
Experiment ukazující Lenzův zákon se dvěma hliníkovými kroužky na zařízení podobném šupinám, umístěném na čepu, aby se mohl volně pohybovat v horizontální rovině. Jeden prsten je zcela uzavřený, zatímco druhý má otvor, který netvoří úplný kruh. Když umístíme tyčový magnet poblíž plně uzavřeného prstence, prsten se tím odrazí. Když se však systém zastaví a my vyjmeme tyčový magnet, prsten je tím přitahován. V prvním případě indukovaný proud vytvořený v prstenu odolává nárůstu magnetického toku způsobenému blízkostí magnetu, zatímco v druhém případě magnet vyjmutí z prstence snižuje magnetický tok a indukuje takový proud, jehož magnetické pole odolává snížení toku. Tento jev chybí, když opakujeme experiment s prstenem, který není uzavřen vložením a vyjmutím magnetické tyče. Indukované proudy v tomto prstenci se nemohou uzavřít do kruhu a mají velmi slabé pole, které nemůže odolat změně magnetického toku.

V elektromagnetismu, když se náboje pohybují po liniích elektrického pole, se na nich pracuje, ať už jde o ukládání potenciální energie (negativní práce) nebo zvyšování kinetické energie (pozitivní práce).

Když je čistá pozitivní práce aplikována na náboj q 1 , získává rychlost a dynamiku. Síťová práce na q 1 tak generuje magnetické pole, jehož síla (v jednotkách hustoty magnetického toku (1 tesla = 1 voltsekunda na metr čtvereční)) je úměrná zvýšení rychlosti o q 1 . Toto magnetické pole může interagovat se sousedním nábojem q 2 , předávat mu tuto hybnost a na oplátku q 1 ztrácí hybnost.

Náboj q 2 může také působit na q 1 podobným způsobem, kterým vrací část hybnosti, kterou obdržel od q 1 . Tato složka hybnosti tam a zpět přispívá k magnetické indukčnosti . Čím blíže jsou q 1 a q 2 , tím větší je účinek. Když je q 2 uvnitř vodivého média, jako je silná deska z mědi nebo hliníku, snáze reaguje na sílu působící na něj q 1 . Energie q 1 není okamžitě spotřebována jako teplo generované proudem q 2, ale je také uložena ve dvou protichůdných magnetických polích. Hustota energie magnetických polí se obvykle mění se čtvercem intenzity magnetického pole; v případě magneticky nelineárních materiálů, jako jsou feromagnety a supravodiče , se však tento vztah rozpadá.

Zachování hybnosti

Hybnost musí být v tomto procesu zachována, takže pokud je q 1 tlačeno v jednom směru, pak by q 2 mělo být tlačeno v opačném směru stejnou silou současně. Situace se však komplikuje, když je zavedena konečná rychlost šíření elektromagnetických vln (viz retardovaný potenciál ). To znamená, že po krátkou dobu není zachována celková hybnost obou nábojů, což znamená, že rozdíl by měl být zohledněn hybností v polích, jak tvrdí Richard P. Feynman . Slavný elektrodynamik 19. století James Clerk Maxwell tomu říkal „elektromagnetická hybnost“. Takové zacházení s poli však může být nutné, pokud je Lenzův zákon aplikován na opačné náboje. Obvykle se předpokládá, že příslušné poplatky mají stejné znaménko. Pokud tomu tak není, například proton a elektron, interakce je odlišná. Elektron generující magnetické pole by generoval EMF, který způsobí zrychlení protonu ve stejném směru jako elektron. Zpočátku se může zdát, že je to v rozporu se zákonem zachování hybnosti, ale taková interakce může zachovat hybnost, pokud se vezme v úvahu hybnost elektromagnetických polí.

Reference

externí odkazy