Закон Ленца , названный в честь физика Эмиль Ленца (произносится / л ɛ н т ы / ) , который сформулировал ее в 1834 году, [1] гласит , что направление электрического тока , который наведенной в проводнике с помощью изменяющегося магнитного поля такова , что магнитное поле, создаваемое индуцированным током, противодействует изменениям исходного магнитного поля.
Это качественный закон, который определяет направление индуцированного тока, но ничего не говорит о его величине. Закон Ленца предсказывает направление многих эффектов в электромагнетизме , таких как направление напряжения, индуцированного в индукторе или проволочной петле изменяющимся током, или сила сопротивления вихревых токов, действующих на движущиеся объекты в магнитном поле.
Закон Ленца можно рассматривать как аналог третьего закона Ньютона в классической механике . [2] [3]
Определение
Закон Ленца гласит, что ток, индуцируемый в цепи из-за изменения магнитного поля, направлен, чтобы противодействовать изменению магнитного потока и оказывать механическую силу, которая противодействует движению.
Закон Ленца содержится в строгой трактовке закона индукции Фарадея (величина ЭДС, индуцированная в катушке, пропорциональна скорости изменения магнитного поля) [4], где он находит выражение в виде отрицательного знака:
что указывает на то, что наведенная электродвижущая сила и скорость изменения магнитного потока имеют противоположные знаки. [5]
Это означает, что направление обратной ЭДС индуцированного поля противостоит изменяющемуся току, который является его причиной. Ди-джей Гриффитс резюмировал это следующим образом: Природа не терпит перемены в движении. [6]
Если изменение магнитного поля тока i 1 вызывает другой электрический ток , i 2 , направление i 2 противоположно направлению изменения i 1 . Если эти токи в двух коаксиальных круглых проводников л 1 и л 2 соответственно, и оба первоначально 0, то токи я 1 и я 2 обязательно встречное вращение. В результате встречные токи будут отталкиваться друг от друга.
Пример
Магнитные поля от сильных магнитов могут создавать токи встречного вращения в медной или алюминиевой трубе. Это демонстрируется падением магнита через трубу. Опускание магнита внутри трубы заметно медленнее, чем при падении за пределы трубы.
Когда напряжение генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность индуцированного напряжения такова, что создается ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает. Индуцированное магнитное поле внутри любой проволочной петли всегда поддерживает постоянный магнитный поток в петле. Направление индуцированного тока можно определить с помощью правила правой руки, чтобы показать, какое направление потока тока создаст магнитное поле, которое будет противодействовать направлению изменения потока через контур. [7] В приведенных ниже примерах, если поток увеличивается, индуцированное поле действует против него. Если оно уменьшается, индуцированное поле действует в направлении приложенного поля, чтобы противодействовать изменению.
Детальное взаимодействие зарядов в этих токах
В электромагнетизме, когда заряды движутся вдоль силовых линий электрического поля, над ними совершается работа, будь то накопление потенциальной энергии (отрицательная работа) или увеличение кинетической энергии (положительная работа).
Когда чистая положительная работа применяется к заряду q 1 , он набирает скорость и импульс. Таким образом, сеть на q 1 создает магнитное поле, напряженность которого (в единицах плотности магнитного потока (1 тесла = 1 вольт-секунда на квадратный метр)) пропорциональна увеличению скорости q 1 . Это магнитное поле может взаимодействовать с соседним зарядом q 2 , передавая ему этот импульс, и, в свою очередь, q 1 теряет импульс.
Заряд q 2 также может воздействовать на q 1 аналогичным образом, возвращая часть импульса, полученного от q 1 . Этот возвратно-поступательный компонент импульса способствует увеличению магнитной индукции . Чем ближе q 1 и q 2 , тем больше эффект. Когда q 2 находится внутри проводящей среды, такой как толстая пластина из меди или алюминия, она легче реагирует на приложенную к ней силу q 1 . Энергия q 1 не расходуется мгновенно в виде тепла, выделяемого током q 2, но также накапливается в двух противоположных магнитных полях. Плотность энергии магнитных полей имеет тенденцию изменяться в зависимости от квадрата напряженности магнитного поля; однако в случае магнитно-нелинейных материалов, таких как ферромагнетики и сверхпроводники , это соотношение нарушается.
Сохранение импульса
Импульс должен сохраняться в процессе, поэтому, если q 1 толкается в одном направлении, тогда q 2 нужно толкать в другом направлении с той же силой в то же время. Однако ситуация усложняется, когда вводится конечная скорость распространения электромагнитной волны (см. Запаздывающий потенциал ). Это означает, что в течение короткого периода общий импульс двух зарядов не сохраняется, а это означает, что разница должна объясняться импульсом в полях, как утверждал Ричард П. Фейнман . [8] Известный электродинамик 19 века Джеймс Клерк Максвелл назвал это «электромагнитным импульсом». [9] Тем не менее, такая трактовка полей может быть необходима, когда закон Ленца применяется к противоположным зарядам. Обычно предполагается, что рассматриваемые заряды имеют один и тот же знак. Если они этого не делают, например, протон и электрон, взаимодействие будет другим. Электрон, создающий магнитное поле, будет генерировать ЭДС, которая заставляет протон ускоряться в том же направлении, что и электрон. Сначала может показаться, что это нарушает закон сохранения импульса, но такое взаимодействие, как видно, сохраняет импульс, если принять во внимание импульс электромагнитных полей.
Рекомендации
- ↑ Lenz, E. (1834), " Ueber die Bestimmung der Richtung der durch elektodynamische Vertheilung erregten galvanischen Ströme ", Annalen der Physik und Chemie , 107 (31), стр. 483–494. Частичный перевод статьи доступен в Magie, WM (1963), A Source Book in Physics , Harvard: Cambridge MA, pp. 511–513.
- ^ Шмитт, Рон. Электромагнетизм объяснил . 2002. Проверено 16 июля 2010 г.
- ^ Вейгуд, Адриан (2013). Введение в электротехнику . Тейлор и Фрэнсис.
- ^ «Закон электромагнитной индукции Фарадея» . Проверено 27 февраля 2021 .
- ^ Джанколи, Дуглас С. (1998). Физика: принципы с приложениями (5-е изд.). С. 624 .
- ^ Гриффитс, Дэвид (2013). Введение в электродинамику . п. 315. ISBN 978-0-321-85656-2.
- ^ «Закон Фарадея и закон Ленца» . buphy.bu.edu . Проверено 15 января 20 .
- ^ Фейнмановские лекции по физике : Том I, Глава 10, стр 9.
- ^ Максвелл, Джеймс С. Трактат об электричестве и магнетизме, Том 2 . Проверено 16 июля 2010 года.
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с законом Ленца, на Викискладе?
- Драматическая демонстрация эффекта на YouTube с алюминиевым блоком в МРТ