Heinrich Lenz (ook wel Emil Lenz genoemd) was een Baltisch-Duitse natuurkundige die misschien niet de bekendheid heeft van sommige van zijn vroege 19e-eeuwse collega's zoals Michael Faraday, maar die nog steeds een belangrijk stuk heeft bijgedragen aan het oplossen van de mysteries van elektromagnetisme.

Terwijl sommige van zijn collega's soortgelijke ontdekkingen deden, werd de naam van Lenz grotendeels aan de wet van Lenz gegeven vanwege zijn vastberaden aantekeningen, uitgebreide documentatie van zijn experimenten en een toewijding aan de ongewone wetenschappelijke methode voor de tijd. De wet zelf vormt een belangrijk onderdeel van de wet van Faraday van elektromagnetische inductie, en vertelt u specifiek de richting waarin de geïnduceerde stroom vloeit.

De wet kan moeilijk zijn om rond te komen eerst, maar als je eenmaal het sleutelconcept begrijpt, ben je goed op weg naar een veel dieper begrip van elektromagnetisme, inclusief praktische kwesties zoals het probleem van wervelstromen.
Wet van Faraday

Wet van Faraday van inductie stelt dat de geïnduceerde elektromotorische kracht
(EMF, gewoonlijk "spanning" genoemd) in een draadspiraal (of eenvoudigweg rond een lus) minus de snelheid van verandering van magnetische flux door die lus is. Wiskundig, en door de afgeleide te vervangen door een eenvoudiger "verandering in" (weergegeven door ∆), bepaalt de wet:
\\ text {induced EMF} \u003d −N \\ frac {∆ϕ} {∆t}

Where < em> t
is tijd, N
is het aantal windingen in de draadspiraal en phi (ϕ) is de magnetische flux. De definitie van magnetische flux is vrij belangrijk voor deze vergelijking, dus het is de moeite waard eraan te denken dat het:
ϕ \u003d \\ bm {B ∙ A} \u003d BA \\ cos (θ)

die de sterkte van het magnetische veld relateert, B
, naar het gebied van de lus A
, en de hoek tussen de lus en het veld ( θ
), met de lushoek gedefinieerd als loodrecht op de gebied (dat wil zeggen recht uit de lus). Omdat de vergelijking cos omvat, is deze op de maximale waarde wanneer het veld direct is uitgelijnd met de lus, en op 0 wanneer het loodrecht staat op de lus (dwz "side-on").

Samen genomen, deze vergelijkingen laten zien dat je een EMF in een draadspoel kunt maken door het dwarsdoorsnede-oppervlak A
, de sterkte van het magnetische veld B
of de hoek tussen het gebied en de magnetisch veld. De grootte van de geïnduceerde EMV is recht evenredig met de mate van verandering van deze hoeveelheden, en het hoeft natuurlijk niet alleen een van deze veranderingen te zijn om de EMV te induceren.

De wet van Faraday werd gebruikt door James Clerk Maxwell als een van zijn vier wetten van elektromagnetisme, hoewel het meestal wordt uitgedrukt als de lijnintegraal van het magnetische veld rond een gesloten lus (wat in wezen een andere manier is om de geïnduceerde EMF te zeggen) en de mate van verandering wordt uitgedrukt als een afgeleide.
De wet van Lenz

De wet van Lenz is ingekapseld in de wet van Faraday omdat deze ons de richting vertelt waarin de geïnduceerde elektrische stroom vloeit. De eenvoudigste manier om de wet van Lenz te verklaren is dat veranderingen in magnetische flux stromen induceren in een richting die zich verzet tegen de verandering die het heeft veroorzaakt.

Met andere woorden, omdat wanneer stroom vloeit, het zijn eigen magnetische veld genereert, de richting van de geïnduceerde stroom is zodanig dat het nieuwe magnetische veld tegengesteld is aan de fluxveranderingen die het hebben gecreëerd. Het is ingekapseld in de wet van Faraday vanwege het negatieve teken; dit vertelt je dat de geïnduceerde EMF zich verzet tegen de oorspronkelijke verandering in magnetische flux.

Stel je voor een eenvoudig voorbeeld een draadspoel voor met een extern magnetisch veld dat er rechtstreeks vanaf de rechterkant in wijst (dwz in de midden van de spoel en met de veldlijnen naar links), en het externe veld wordt dan groter maar behoudt dezelfde richting. In dit geval zal de geïnduceerde stroom in de draad stromen om een magnetisch veld te produceren dat uit de spoel naar rechts wijst.

Als het externe veld in plaats daarvan in grootte zou afnemen, zou de geïnduceerde stroom zo stromen om een magnetisch veld in dezelfde richting als het oorspronkelijke veld te produceren, omdat het flux veranderingen tegengaat in plaats van eenvoudigweg tegenover het veld te staan. Omdat het de verandering tegengaat en niet noodzakelijk de richting, betekent dit dat het soms een veld in de tegenovergestelde richting en soms in dezelfde richting creëert.

U kunt de rechterhandregel gebruiken (soms de rechterhand genoemd) gripregel om het te onderscheiden van de andere rechterhandregel die in de natuurkunde wordt gebruikt) om de richting van de resulterende elektrische stroom te bepalen. De regel is vrij eenvoudig toe te passen: bereken de richting van het magnetische veld dat door de geïnduceerde stroom wordt gecreëerd en wijs de duim van uw rechterhand in die richting en krul vervolgens uw vingers naar binnen. De richting waarin uw vingers krullen, is de richting waarin de stroom door de draadspiraal stroomt.
Voorbeelden van de wet van Lenz

Enkele concrete voorbeelden van hoe de wet van Lenz in de praktijk werkt, helpen de concepten te cementeren, en de eenvoudigste lijkt erg op het bovenstaande voorbeeld: een draadspiraal die in of uit een magnetisch veld beweegt. Terwijl de lus in het veld beweegt, zal de magnetische flux door de lus toenemen (in de tegenovergestelde richting van de beweging van de spoel), waardoor een stroom wordt geïnduceerd die de snelheid van verandering van flux tegenwerkt en dus een magnetisch veld in de richting creëert van zijn beweging.

Als de spoel naar u toe beweegt, tonen de rechterregel en de wet van Lenz aan dat de stroom tegen de klok in zou stromen. Als de spoel uit het veld zou bewegen, zou de veranderende magnetische flux in feite een geleidelijke reductie zijn in plaats van een toename, dus de exact tegenovergestelde stroom zou worden geïnduceerd.

Deze situatie is analoog om een staafmagneet in of uit het midden van een spoel te verplaatsen, want wanneer de magneet erin wordt verplaatst, wordt het veld sterker en werkt het geïnduceerde magnetische veld tegen de beweging van de magneet in, dus tegen de klok in van perspectief van de magneet. Bij het verplaatsen uit het midden van de draadspoel, zou de magnetische flux afnemen en zou het geïnduceerde magnetische veld opnieuw werken om de beweging van de magneet tegen te werken, dit keer met de klok mee vanuit het perspectief van de magneet.

Een meer gecompliceerd voorbeeld betreft een draadspiraal die roteert in een vast magnetisch veld, omdat naarmate de hoek verandert, ook de flux door de lus. Tijdens de afname van de flux, zou de geïnduceerde elektrische stroom een magnetisch veld creëren om zich tegen de fluxveranderingen te verzetten, dus het zou in dezelfde richting zijn als het externe veld. Tijdens de toename van de flux gebeurt het tegenovergestelde en wordt de stroom geïnduceerd om de toename van de magnetische flux tegen te gaan, dus in de tegenovergestelde richting van het externe veld. Dit genereert een wisselspanning (omdat de geïnduceerde EMF schakelt elke keer dat de lus 180 graden roteert), en dit kan worden gebruikt om wisselstroom te genereren.
De wet van Lenz en wervelstromen

Een wervelstroom is de naam voor de kleine elektrische stromen die de wet van Lenz gehoorzamen. In het bijzonder wordt deze naam echter gebruikt in verwijzing naar kleine, lusvormige stromen in geleiders analoog aan de wervelingen die u rond uw roeiriemen ziet wanneer u in water roeit.

Wanneer een geleider door een magnetisch veld wordt bewogen - voor bijvoorbeeld, zoals een metalen slinger die tussen de polen van een hoefijzermagneet slingert, worden wervelstromen geïnduceerd, en in lijn met de wet van Lenz gaan deze het effect van de beweging tegen. Dit leidt tot magnetische demping (omdat het geïnduceerde veld noodzakelijkerwijs werkt tegen de beweging die het heeft veroorzaakt), die productief kan worden gebruikt in dingen zoals magnetische remsystemen voor achtbanen, maar het is een oorzaak van verspilde energie voor apparaten zoals generatoren en transformatoren.

Wanneer wervelstromen moeten worden gereduceerd, wordt de geleider in meerdere secties gescheiden door dunne isolatielagen, die de grootte van de wervelstromen beperken en energieverlies verminderen. Omdat wervelstromen echter een noodzakelijk gevolg zijn van de wetten van Faraday en Lenz, kunnen ze niet volledig worden voorkomen.