Lenz의 전자기 유도 법칙: 정의 및 공식

렌츠 법칙이란?

전자기 유도의 렌츠 법칙은 변화하는 자기장에 의해 도체에서 유도되는 전류의 방향(파라데이의 전자기 유도 법칙에 따름)이 유도된 전류가 생성한 자기장이 초기의 변화하는 자기장을 반대하도록 하는 것을 말합니다. 이 전류의 흐름 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 의해 주어집니다.

처음에는 이해하기 어려울 수 있으므로 예제 문제를 살펴보겠습니다.

자기장에 의해 전류가 유도될 때, 유도된 전류는 자신의 자기장을 생성합니다.

이 자기장은 항상 원래 자기장을 반대합니다.

아래 예제에서, 자기장 "B"가 증가할 때 - (1)에서 보듯이 - 유도된 자기장은 이를 반대합니다.

자기장 "B"가 감소할 때 - (2)에서 보듯이 - 유도된 자기장은 다시 이를 반대합니다. 그러나 이번에는 '반대'는 감소율을 반대한다는 의미로, 자기장을 증가시키는 것입니다.

렌츠 법칙은 파라데이의 유도 법칙을 기반으로 합니다. 파라데이의 법칙은 변화하는 자기장이 도체에서 전류를 유도한다는 것을 알려줍니다.

렌츠 법칙은 유도된 전류의 방향을 알려주며, 이는 초기의 변화하는 자기장을 반대합니다. 이는 파라데이의 법칙 공식에서 부호('–')로 표시됩니다.

자기장의 변화는 자석을 코일로 접근하거나 멀리 떨어뜨리는 것, 또는 코일을 자기장으로 들어가거나 나오게 하는 것으로 발생할 수 있습니다.

즉, 회로에서 유도된 전동력의 크기는 플럭스의 변화 속도와 비례합니다.

렌츠 법칙 공식

렌츠 법칙은 Faraday의 법칙에 따라 자기 플럭스의 변화에 의해 EMF가 생성될 때, 유도된 EMF의 극성은 유도된 전류가 초기의 변화하는 자기장을 반대하도록 하여 유도된 자기장을 생성한다고 말합니다.

Faraday의 전자기 유도 법칙에서 사용되는 음수 부호는 유도된 EMF(ε)와 자기 플럭스의 변화(δΦB)가 서로 반대의 부호를 가짐을 나타냅니다. 렌츠 법칙의 공식은 아래와 같습니다:

여기서:

• ε = 유도된 전동력

• δΦB = 자기 플럭스의 변화

• N = 코일의 회전수

렌츠 법칙과 에너지 보존

에너지 보존 법칙을 준수하려면, 렌츠 법칙에 의해 유도된 전류의 방향은 그 자기장을 생성한 자기장을 반대해야 합니다. 사실, 렌츠 법칙은 에너지 보존 법칙의 결과입니다.

왜냐하면, 그렇지 않으면 어떤 일이 벌어질까요?

유도된 전류가 생성한 자기장이 그 자기장을 생성한 자기장과 같은 방향이라면, 두 자기장은 결합하여 더 큰 자기장을 생성합니다.

이 결합된 더 큰 자기장은 차례로 도체 내에서 두 배의 크기의 새로운 전류를 유도합니다.

그리고 이는 다시 자기장을 생성하고, 또 다른 전류를 유도합니다. 이런 식으로 계속됩니다.

따라서 렌츠 법칙이 유도된 전류가 자기장을 반대하도록 하지 않는다면, 무한한 양의 에너지를 생성하는 무한한 피드백 루프가 발생하게 됩니다. 이것은 에너지 보존 법칙을 위반합니다.

렌츠 법칙은 또한 뉴턴의 제3법칙(즉, 모든 작용에는 항상 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다)을 준수합니다.

유도된 전류가 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기장을 생성한다면, 자기장의 변화를 저항할 수 있습니다. 이것은 뉴턴의 제3법칙에 부합합니다.

렌츠 법칙 설명

렌츠 법칙을 더 잘 이해하기 위해 두 가지 경우를 고려해 보겠습니다:

사례 1: 자석이 코일로 접근할 때.

자석의 N극이 코일로 접근할 때, 코일에 연결된 자기 플럭스가 증가합니다. Faraday의 전자기 유도 법칙에 따르면, 플럭스가 변할 때 EMF와 전류가 유도되고, 이 전류는 자기장을 생성합니다.

렌츠 법칙에 따르면, 이 자기장은 자기 플럭스의 증가를 반대하며, 이는 유입되는 코일 측면이 N극성을 갖는 경우에만 가능합니다. 동일한 극성은 서로 밀어내기 때문입니다.