Prawo Lenza indukcji elektromagnetycznej: Definicja i wzór

Co to jest prawo Lenza?

Prawo Lenza indukcji elektromagnetycznej mówi, że kierunek prądu wywołanego w przewodniku przez zmieniające się pole magnetyczne (zgodnie z prawem Faradaya indukcji elektromagnetycznej) jest taki, że pole magnetyczne utworzone przez wywołany prąd oponuje początkowemu zmieniającemu się polu magnetycznemu, które go wytworzyło. Kierunek tego prądu jest określony przez prawo prawej ręki Flegminga.

To może być trudne do zrozumienia na początku — więc spójrzmy na przykładowe zadanie.

Pamiętaj, że gdy prąd jest wywoływany przez pole magnetyczne, pole magnetyczne wytwórcze tego prądu indukowanego stworzy swoje własne pole magnetyczne.

To pole magnetyczne zawsze będzie takie, że oponuje polu magnetycznemu, które go pierwotnie stworzyło.

W poniższym przykładzie, jeśli pole magnetyczne „B” zwiększa się – jak pokazano w (1) – wywołane pole magnetyczne będzie działać przeciwko niemu.

Gdy pole magnetyczne „B” maleje – jak pokazano w (2) – wywołane pole magnetyczne ponownie będzie działać przeciwko niemu. Ale tym razem „przeciwko” oznacza, że działa na zwiększenie pola – ponieważ opiera się malejącej szybkości zmiany.

Prawo Lenza opiera się na prawie Faradaya indukcji. Prawo Faradaya mówi nam, że zmieniające się pole magnetyczne wywoła prąd w przewodniku.

Prawo Lenza mówi nam kierunek tego wywołanego prądu, który oponuje początkowemu zmieniającemu się polu magnetycznemu, które go wytworzyło. To jest oznaczone w formule prawa Faradaya ujemnym znakiem (‘–’).

Ta zmiana pola magnetycznego może być spowodowana zmianą siły pola magnetycznego poprzez przesunięcie magnesu w kierunku lub od cewki, lub przesunięciem cewki w pole magnetyczne lub z niego.

Innymi słowy, możemy powiedzieć, że wartość napięcia EMF wywołanego w obwodzie jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia.

Formuła prawa Lenza

Prawo Lenza mówi, że gdy EMF jest generowane przez zmianę strumienia magnetycznego zgodnie z prawem Faradaya, polarność wywołanego EMF jest taka, że tworzy on prąd indukowany, którego pole magnetyczne opiera się początkowemu zmieniającemu się polu magnetycznemu, które go wytworzyło.

Ujemny znak używany w prawie Faradaya indukcji elektromagnetycznej wskazuje, że wywołane EMF (ε) i zmiana strumienia magnetycznego (δΦB) mają przeciwne znaki. Formuła prawa Lenza jest przedstawiona poniżej:

Gdzie:

• ε = Wywołane EMF

• δΦB = Zmiana strumienia magnetycznego

• N = Liczba zwitków w cewce

Prawo Lenza i zasada zachowania energii

Aby spełnić zasadę zachowania energii, kierunek prądu wywołanego zgodnie z prawem Lenza musi tworzyć pole magnetyczne, które opiera się polu magnetycznemu, które go wytworzyło. W rzeczywistości, prawo Lenza jest konsekwencją zasady zachowania energii.

Dlaczego tak jest? No cóż, załóżmy, że tak nie jest, i zobaczmy, co się stanie.

Jeśli pole magnetyczne utworzone przez wywołany prąd jest w tym samym kierunku, co pole, które go wytworzyło, te dwa pola magnetyczne połączyłyby się i utworzyły większe pole magnetyczne.

To połączone większe pole magnetyczne, z kolei, wywołałoby inny prąd w przewodniku, o podwójnej sile oryginalnego prądu wywołanego.

I to, z kolei, stworzyłoby kolejne pole magnetyczne, które wywołałoby jeszcze inny prąd. I tak dalej.

Więc widzimy, że jeśli prawo Lenza nie dyktowałoby, że wywołany prąd musi tworzyć pole magnetyczne, które oponuje polu, które go stworzyło – mielibyśmy nieskończoną pętlę dodatniej sprzężenia zwrotnego, łamiącą zasadę zachowania energii (ponieważ efektywnie tworzyłoby nieskończony źródło energii).

Prawo Lenza również przestrzega trzeciego prawa ruchu Newtona (tzn. każda akcja ma zawsze równą i przeciwną reakcję).

Jeśli wywołany prąd tworzy pole magnetyczne, które jest równe i przeciwe do kierunku pola magnetycznego, które go stworzyło, tylko wtedy może on opierać się zmianom pola magnetycznego w obszarze. Jest to zgodne z trzecim prawem ruchu Newtona.

Wyjaśnienie prawa Lenza