Lenzin sääntö sähkömagneettiselle induktiolle: Määritelmä & kaava

Mikä on Lenzin laki?

Lenzin sääntö elektromagneettiselle induktiolle sanoo, että johtimessa muuttuvan magneettikentän (kuten Faradayn elektromagneettisen induktion laissa) aiheuttaman induktoidun virran suunta on sellainen, että tämä virran luoma magneettinen kenttä vastustaa alkuperäistä muuttuvaa magneettikenttää, joka sen aiheutti. Tämän virran suunta määräytyy Flemingin oikean käden säännön mukaan.

Tämä voi olla aluksi vaikeaa ymmärtää – joten tarkastelemme esimerkkiä.

Muista, että kun virran aiheuttaa magneettikenttä, tämä induktoidun virran luoma magneettinen kenttä luo omansa magneettikentän.

Tämä magneettinen kenttä on aina sellainen, että se vastustaa alkuperäistä magneettikenttää, joka sen aiheutti.

Esimerkissä, jos magneettikenttä "B" kasvaa – kuten (1) osoittaa – induktoidun magneettikentän vaikutus vastustaa sitä.

Kun magneettikenttä "B" vähenee – kuten (2) osoittaa – induktoidun magneettikentän vaikutus vastustaa taas sitä. Mutta tällä kertaa 'vastustamalla' tarkoitetaan, että se toimii lisäämään kenttää – koska se vastustaa vähenevää muutosnopeutta.

Lenzin laki perustuu Faradayn induktiolakiin. Faradayn laki kertoo, että muuttuva magneettikenttä indukuu virran johtimessa.

Lenzin laki kertoo tämän induktoidun virran suunnan, joka vastustaa alkuperäistä muuttuvaa magneettikenttää, joka sen aiheutti. Tämä ilmaistaan Faradayn lain kaavassa negatiivisella merkillä ('–').

Tämä muutos magneettikentässä voi tapahtua muuttamalla magneettikentän voimakkuutta siirtämällä magneettia kohti tai pois kympystä, tai siirtämällä kympyä magneettikenttään tai ulos siitä.

Toisin sanoen, voimme sanoa, että sähkömotorin virran aiheuttaman EMF:n suuruus on verrannollinen virtauksen muutosnopeuteen.

Lenzin lain kaava

Lenzin laki sanoo, että kun EMF syntyy muuttuvan magneettivirtauksen mukaisesti Faradayn laissa, induktoidun EMF:n napajärjestys on sellainen, että se tuottaa induktoidun virran, jonka magneettinen kenttä vastustaa alkuperäistä muuttuvaa magneettikenttää, joka sen aiheutti.

Negatiivinen merkki, jota käytetään Faradayn elektromagneettisen induktion laissa, viittaa siihen, että induktoidun EMF:n (ε) ja magneettivirauksen muutoksen (δΦB) merkit ovat vastakkaiset. Lenzin lain kaava näyttää seuraavalta:

Missä:

• ε = Induktoidtu EMF

• δΦB = Magneettivirauksen muutos

• N = Kympyn pyörteiden määrä

Lenzin laki ja energian säilymislaki

Energian säilymislain noudattamiseksi Lenzin lain mukaan induktoidun virran luoma magneettinen kenttä täytyy vastustaa sitä magneettikenttää, joka sen aiheutti. Itse asiassa Lenzin laki on energian säilymislain seurauksena.

Miksi niin? Kuvittele, että näin ei olisi, ja katso mitä tapahtuu.

Jos induktoidun virran luoma magneettinen kenttä olisi samansuuntainen kuin aiheuttanut sen kenttä, nämä kaksi magneettikenttää yhdistyisivät ja luovat isomman magneettikentän.

Tämä yhdistetty isompi magneettinen kenttä indukoisi uuden virran johtimessa, joka olisi kaksinkertainen alkuperäiseen induktoidun virran suuruuteen nähden.

Ja tämä luopaisi uuden magneettisen kentän, joka indukoisi vielä uuden virran, ja niin edelleen.

Joten näemme, että jos Lenzin laki ei määräisi, että induktoidun virran luoma magneettinen kenttä vastustaisi alkuperäistä kenttää, joka sen aiheutti – päädyttäisimme äärettömään positiiviseen palautussilmukkaan, mikä rikkoo energian säilymislain (koska luomme tehokkaasti loppumaton energialähde).

Lenzin laki noudattaa myös Newtonin kolmatta liikkelakiä (eli jokaista toimintaa vastaa aina yhtä suuri ja vastakkaisuuntainen reaktio).

Jos induktoidun virran luoma magneettinen kenttä on yhtä suuri ja vastakkaisuuntainen kuin alkuperäinen magneettinen kenttä, se voi vastustaa magneettikentän muutosta alueessa. Tämä on mukainen Newtonin kolmannen liikkelain kanssa.

Lenzin lain selitys