Lenz'i seadus — määratlus ja näited elektromagnetilise induktsiooni kohta

Lenz'i seadus: selge ja praktiline ülevaade elektromagnetilisest induktsioonist, põhimõttest ja näidetest — miks indutseeritud vool alati vastandub magnetvoo muutusele.

Lenz'i seadus selgitab, kuidas indutseeritud (tekitatud) elektromotoorjõud (emf) reageerib muutustele magnetvoos, ja toob esile elektromagnetilise induktsiooni sideme Newtoni kolmanda seaduse ja energia säilimise põhimõttega. Seadus on nimetatud Emil Lenz'i järgi ja seda võib sõnastada lühidalt nii:

Indutseeritud elektromotoorjõud on alati suunatud nii, et selle tekitatud magnetväli püüab vastandada algset magnetvoo muutust.

Matemaatiline avaldus

See on Faraday induktsiooniseaduse osaks ja avaldub negatiivse märgina:

E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {\partial \Phi _\mathrm {B} }}}{\partial t}}} .

Selles valemis tähistab ℰ indutseeritud emf-i ja ΦB magnetvoo läbi mingi pindala. Miinusmärk näitab, et indutseeritud emf ja magnetvoo muutus on vastupidise märgiga — indutseeritud efekt püüab muutust tagasi pöörata.

Kuidas seadus töötab (suuna leidmine)

Praktiliselt leitakse indutseeritud voolu suund sageli parempoolse haarde reegli või vasakukäelise reegli abil, olenevalt kasutatavatest orientatsioonidest. Tulemus: kui magnetvoog läbi juhipideme suureneb, tekib indutseeritud vool, mille magnetväli püüab selle voo suurenemist vähendada; kui voog väheneb, tekib indutseeritud vool, mis püüab voogu suurendada. Seega on indutseeritud emf alati vastandlik voolu või magnetvoo muutusele.

Näited ja rakendused

• Liikuv magnet ja ring: kui magneti lõpp tuuakse lähemale juhtmepöördele, suureneb läbi selle pindala magnetvoog ja tekib indutseeritud vool, mille magnetväli püüab lähenemist takistada — see väljendub jõuna, mis tõmbab või tõugab magnetit vastupidiselt liikumisele.
• Voolu lülitamine mähises (autotransformeri efekt, isesinduktsioon): kui akut ühendades vool mähises suureneb, tekib indutseeritud emf, mis on suunatud vastupidiselt voolu kasvule ja seetõttu aeglustab voolu kiirenemist. Samuti takistab indutseeritud emf voolu kiiret langemist lülitit avades, mis seletab sädemete tekke lülitite juures.
• Hõõrdpidurdus püsimagnetiga metalltorus: kukkuva magneti nähtus metalltorus — magnet aeglustub, sest toru sees tekivad hõõgnevoolud (eddy currents), mis vastandavad magneti liikumise tekitatud magnetvoo muutusele.
• Transformaatorid ja indikaatorid: Lenz'i seadus on aluseks transformaatorite, induktiivmähiste ja paljude elektroonikaseadmete tööpõhimõtetele; see tagab ka energia konverteerimise ja säilimise korra elektromagnetilistes protsessides.

Iseinduktsioon ja energia

Indutseeritud emf-i, mis tekib voolu enda muutuse tõttu samas vooluringis, nimetatakse iseinduktsiooniks. Selle kirjeldamiseks kasutatakse mähise induktiivsust L ja valemit

ℰ = -L (dI/dt),

kus miinusmärk näitab samuti vastust voolu muutusele. Kui Lenz'i seadus ei kehtiks, võiks voolu suurenemine veelgi voolu soodustada ja tekkida lõputu kasv (pööre energia säilimise vastu). Tegelikult aga tekib alati vastasmõju, mis hoiab süsteemi stabiilsena ja energia jääb konserveeritud kujul (nt soojuseks või magnetvälja energiaks).

Lenz'i seaduse üldistus

Füüsikas on Lenz'i seadusel laiema tähendusega analoogia: tasakaalus süsteem kipub reageerima häirele nii, et häire mõju osaliselt või täielikult kompenseeritakse. See ideed on Lenz'i seaduse makroskoopilisemaks üldistuseks ja on seotud Le Chatelier' printsiibiga keemias ja teiste teadusharude tasakaalupartiiide põhimõtetega.

Kokkuvõte

• Lenz'i seadus: indutseeritud emf ja indutseeritud vool toimivad alati nii, et nad vastandavad magnetvoo muutusele.
• See väljendub Faraday seaduse miinusmärgis: ℰ = - dΦB/dt.
• Rakendused: mähised, transformaatorid, pidurid (eddy-voolud), sädemete teke lülitites jm.

Seaduse mõistmine on oluline nii teoreetiliseks füüsikaks kui ka praktilisteks elektrotehnilisteks lahendusteks, kuna see selgitab, miks induktiivsed süsteemid käituvad stabiilselt ja kuidas energia muundub magnetvälja ning soojuse vahel.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Lenz'i seadus?

K: Kuidas on Lenz'i seadus esitatud Faraday induktsiooniseaduses?

K: Millises suunas voolab indutseeritud vool, kui B' on suunatud lehest välja ja vooluringi pindala väheneb?

K: Mida püüab loodus selle indutseeritud välja kaudu teha?

K: Mis juhtub, kui patarei ühendatakse äkki juhtmepoolikuga?

K: Millist mõju avaldab voolu muutuva vooluga vooluahelatele eneseinduktiivsus?

K: Millist põhimõtet saab laiendada Lenz'i seadusest?

Otsing