LENCA LIKUMS: FORMULA, VIENĀDOJUMI, PIELIETOJUMI, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Lenz 's tiesības nosaka, ka polaritāte inducēto EDS slēgtā ķēdē, jo izmaiņas magnētiskā lauka plūsmas ir tāda, ka iebilst izmaiņas minētajā plūsmu.

Negatīvā zīme, kas ir pirms Faraday likumiem, ņem vērā Lenca likumus, kas ir iemesls, kāpēc tos sauc par Faraday-Lenz likumiem, un kas izteikti šādi:

1. attēls. Toroidālā spole spēj izraisīt strāvu citos vadītājos. Avots: Pixabay.

Formulas un vienādojumi

Šajā vienādojumā B ir magnētiskā lauka lielums (bez treknraksta vai bultiņas, lai atšķirtu vektoru no tā lieluma), A ir lauka šķērsots virsmas laukums, un θ ir leņķis starp vektoriem B un n .

Laika gaitā magnētiskā lauka plūsmu var variēt dažādos veidos, lai radītu ierosinātu emf A apgabala slēgtā ķēdē. Piemēram:

- magnētiskā lauka mainīgā lieluma noteikšana ar laiku: B = B (t), saglabājot nemainīgu laukumu un leņķi, pēc tam:

Lietojumprogrammas

Tūlītēja Lenca likuma piemērošana ir noteikt ierosinātās emf vai strāvas virzienu, neveicot aprēķinus. Apsveriet šādus apstākļus: magnētiskā lauka vidū ir cilpa, piemēram, ko rada stieņa magnēts.

2. attēls. Lenca likuma piemērošana. Avots: Wikimedia Commons.

Ja magnēts un cilpa atrodas miera stāvoklī viens pret otru, nekas nenotiek, tas ir, neizraisīs strāvu, jo magnētiskā lauka plūsma tādā gadījumā paliek nemainīga (sk. 2.a attēlu). Lai ierosinātu strāvu, plūsmai jābūt mainīgai.

Tagad, ja starp magnētu un cilpu notiek relatīva kustība, vai nu pārvietojot magnētu uz cilpu, vai pret magnētu, tiks mērīta induktīvā strāva (2.b attēls uz priekšu).

Šī inducētā strāva savukārt rada magnētisko lauku, tāpēc mums būs divi lauki: magnēts B ₁ zilā krāsā un viens, kas saistīts ar strāvu, ko rada indukcija B ₂ , oranžā krāsā.

Labā īkšķa noteikums ļauj uzzināt B ₂ virzienu, jo labās rokas īkšķis ir novietots strāvas virzienā un virzienā. Pārējie četri pirksti norāda virzienu, kurā magnētiskais lauks saliecas, saskaņā ar 2. attēlu (zemāk).

Magnēta kustība caur cilpu

Teiksim, ka magnēts tiek nometts cilpas virzienā ar tā ziemeļpolu pret to (3. attēls). Magnēta lauka līnijas atstāj ziemeļpolu N un ieiet dienvidu polā S. Tad notiks izmaiņas Φ, plūsma, ko B _{1 rada} caur cilpu: Φ palielinās! Tāpēc cilpā tiek izveidots magnētiskais lauks B ₂ ar pretēju nodomu.

3. attēls. Magnēts virzās uz cilpu ar ziemeļu polu pret to. Avots: Wikimedia Commons.

Induktīvā strāva darbojas pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam, sarkanās bultiņas 2. un 3. attēlā saskaņā ar labā īkšķa likumu.

Mēs pārvietojam magnētu prom no cilpas, un pēc tam tā Φ samazinās (2.c un 4. attēls), tāpēc cilpa steidzas radīt magnētisko lauku B ₂ tajā pašā virzienā, lai to kompensētu. Tāpēc inducētā strāva ir stunda, kā parādīts 4. attēlā.

4. attēls. Magnēts virzās prom no cilpas, vienmēr ar ziemeļu polu vērstu pret to. Avots: Wikimedia Commons.

Magnēta stāvokļa mainīšana

Kas notiek, ja magnēta pozīcija tiek mainīta? Ja dienvidu pole norāda uz cilpu, lauks ir vērsts uz augšu, jo magnēta B līnijas iziet no ziemeļpola un ieiet dienvidu polā (sk. 2.d attēlu).

Tūlīt Lenca likums informē, ka šis vertikālais lauks uz augšu, virzoties uz cilpu, izraisīs tajā pretēju lauku, tas ir, B ₂ uz leju, un inducētā strāva būs arī stunda.

Visbeidzot magnēts attālinās no cilpas, vienmēr ar dienvidu polu vērstu pret tā iekšpusi. Tad cilpas iekšpusē tiek izveidots lauks B _2, lai palīdzētu nodrošināt, ka attālināšanās no magnēta nemaina lauka plūsmu tajā. Gan B _1, gan B ₂ būs vienāda nozīme (sk. 2.d attēlu).

Lasītājs sapratīs, ka, kā solīts, nav veikti aprēķini, lai uzzinātu ierosinātās strāvas virzienu.

Eksperimenti

Heinrihs Lencs (1804-1865) visā zinātniskās karjeras laikā veica daudzus eksperimentālus darbus. Vispazīstamākie ir tie, kurus mēs tikko aprakstījām, kas veltīti magnētisko spēku un efektu mērīšanai, kas radīti, pēkšņi nometot magnētu cilpas vidū. Ar saviem rezultātiem viņš pilnveidoja Maikla Faradeja paveikto.

Šī negatīvā zīme Faraday likumos izrādās eksperiments, par kuru viņš mūsdienās tiek atzīts visplašāk. Neskatoties uz to, Lencs jaunības laikā paveica daudz darba ģeofizikā, tikmēr nodarbojās ar magnētu nometšanu spolēs un caurulēs. Viņš arī veica pētījumus par metālu elektrisko pretestību un vadītspēju.

Jo īpaši par temperatūras paaugstināšanās ietekmi uz pretestības vērtību. Viņš nepamanīja, ka, sildot vadu, pretestība samazinās un siltums tiek izkliedēts, ko Džeimss Džoule novēroja arī patstāvīgi.

Lai vienmēr atcerētos par viņa ieguldījumu elektromagnētismā, papildus likumiem, kas nes viņa vārdu, induktivitātes (spoles) tiek apzīmētas ar burtu L.

Lenca caurule

Tas ir eksperiments, kurā tiek parādīts, kā magnēts palēninās, kad to izlaiž vara mēģenē. Kad magnēts nokrīt, tas rada magnētiskā lauka plūsmas izmaiņas caurules iekšpusē, kā tas notiek ar pašreizējo cilpu.

Tad tiek radīta indukētā strāva, kas iebilst pret plūsmas izmaiņām. Caurule tam rada savu magnētisko lauku, kas, kā mēs jau zinām, ir saistīts ar inducēto strāvu. Pieņemsim, ka magnēts tiek atbrīvots ar dienvidu polu uz leju (2.d un 5. attēls).

5. attēls. Lenca caurule. Avots: F. Zapata.

Rezultātā caurule rada savu magnētisko lauku ar ziemeļu polu uz leju un dienvidu polu uz augšu, kas ir līdzvērtīgs mākslīgo magnētu pāra izveidošanai - viens virs un viens zem tā, kas krīt.

Koncepcija ir atspoguļota šajā attēlā, taču ir jāatceras, ka magnētiskie stabi nav atdalāmi. Ja apakšējam manekena magnētam ir ziemeļpols uz leju, to obligāti pavada dienvidu pole uz augšu.

Kad pretējie stabi pievelk un pretstati atgrūžas, krītošais magnēts tiks atgrūsts, un tajā pašā laikā to piesaistīs augšējais fiktīvais magnēts.

Tīkla efekts vienmēr bremzēsies, pat ja magnēts tiks atbrīvots ar ziemeļpolu uz leju.

Džoula-Lenca likums

Džoula-Lenca likums apraksta, kā daļa enerģijas, kas saistīta ar elektrisko strāvu, kas cirkulē caur vadītāju, tiek zaudēta siltuma veidā, kas tiek izmantota elektriskajos sildītājos, gludekļos, matu žāvētājos un elektriskos degļos, starp citām ierīcēm.

Viņiem visiem ir pretestība, kvēldiegs vai sildelements, kas sakarst, kad strāva iet.

Matemātiskā formā R ir sildelementa pretestība, I caur to plūstošās strāvas intensitāte un t laiks, Džoula efekta radītā siltuma daudzums ir:

Kur Q mēra džoulos (SI vienībās). Džeimss Džouls un Heinrihs Lencs šo efektu vienlaicīgi atklāja ap 1842. gadu.

Piemēri

Šeit ir trīs svarīgi piemēri, uz kuriem attiecas Faraday-Lenz likums:

Maiņstrāvas ģenerators

Maiņstrāvas ģenerators pārveido mehānisko enerģiju elektriskajā enerģijā. Loģiskais pamatojums tika aprakstīts sākumā: vienmērīga magnētiskā lauka vidū tiek pagriezta cilpa, tāpat kā tā, kas izveidota starp liela elektromagnēta diviem poliem. Ja tiek izmantoti N pagriezieni, emf palielinās proporcionāli N.

6. attēls. Maiņstrāvas ģenerators.

Kad cilpa griežas, vektors, kas ir normāls pret savu virsmu, maina tā orientāciju attiecībā pret lauku, iegūstot emf, kas sinusoidāli mainās ar laiku. Pieņemsim, ka griešanās leņķa frekvence ir ω, tad, aizstājot sākumā sniegto vienādojumu, mums būs:

Transformators

Tā ir ierīce, kas ļauj iegūt tiešu spriegumu no maiņstrāvas. Transformators ir daļa no neskaitāmām ierīcēm, piemēram, piemēram, mobilā telefona lādētājs, tas darbojas šādi:

Ap dzelzs serdi ir vītas divas spoles, vienu sauc par primāro, bet otru par sekundāro. Attiecīgais pagriezienu skaits ir N ₁ un N ₂ .

Primārā spole vai tinums ir savienots ar mainīgu spriegumu (piemēram, piemēram, sadzīves elektrības kontaktligzdu) formā V _P = V ₁ .cos ωt, izraisot mainīgu frekvences current strāvu, kas cirkulē tā iekšpusē.

Šī strāva izraisa magnētisko lauku, kas savukārt izraisa svārstīgu magnētisko plūsmu otrajā spolē vai tinumā ar sekundāro spriegumu formā V _S = V ₂ .cos ωt.

Tagad izrādās, ka magnētiskais lauks dzelzs serdes iekšpusē ir proporcionāls primārā tinuma pagriezienu skaita apgrieztajam skaitam:

Un tāpat arī V _P , spriegums primārajā tinumā, savukārt inducētais emf V _S otrajā tinumā, kā mēs jau zinām, ir proporcionāls pagriezienu skaitam N ₂ un arī V _P.

Tātad, apvienojot šīs proporcijas, mums ir attiecības starp V _S un V _P, kas ir atkarīgas no koeficienta starp katra pagrieziena skaitu:

7. attēls. Transformators. Avots: Wikimedia Commons. KundaliniZero

Metāla detektors

Tās ir ierīces, kuras drošības nolūkos izmanto bankās un lidostās. Viņi atklāj jebkura metāla, ne tikai dzelzs vai niķeļa, klātbūtni. Tie darbojas pateicoties radītajām strāvām, izmantojot divas spoles: raidītāju un uztvērēju.

Raidītāja spolē tiek izvadīta augstas frekvences maiņstrāva tā, ka gar asi tiek izveidots mainīgs magnētiskais lauks (sk. Attēlu), kas uztvērēja spolē rada strāvu, vairāk vai mazāk līdzīgu tam, kas notiek ar transformatoru.

8. attēls. Metāla detektora darbības princips.

Ja starp abām spirālēm ir ievietots metāla gabals, tajā parādās nelielas inducētas strāvas, ko sauc par virpuļstrāvām (kuras nevar izplūst izolatorā). Saņemošā spole reaģē uz pārraides spoles un to, ko rada virpuļstrāvas, magnētiskajiem laukiem.

Virpuļstrāvas cenšas samazināt magnētiskā lauka plūsmu metāla gabalā. Tāpēc uztveres spoles uztvertais lauks samazinās, kad starp abiem spoļiem tiek ievietots metāla gabals. Kad tas notiek, tiek iedarbināta trauksme, kas brīdina par metāla klātbūtni.

Vingrinājumi

1. vingrinājums

Ir apaļa spole ar 250 apgriezieniem 5 cm rādiusā, kas atrodas perpendikulāri magnētiskajam laukam 0,2 T. Nosakiet izraisīto emf, ja laika intervālā 0,1 s magnētiskā lauka lielums divkāršojas un norāda virzienu. strāva, saskaņā ar šo skaitli:

9. attēls. Apļveida cilpa vienota magnētiskā lauka vidū, kas ir perpendikulārs cilpas plaknei. Avots: F. Zapata.

Risinājums

Vispirms mēs aprēķināsim izraisītā emf lielumu, pēc tam saskaņā ar zīmējumu tiks norādīts saistītās strāvas virziens.

Tā kā lauks ir divkāršojies, tāpat kā magnētiskā lauka plūsma, cilpā, kas pretojas minētajam palielinājumam, tiek radīta inducēta strāva.

Lauks attēlā norāda uz ekrāna iekšpusi. Indukētās strāvas radītajam laukam jāatstāj ekrāns, piemērojot labā īkšķa likumu, no tā izriet, ka inducētā strāva ir pretēji pulksteņrādītāja virzienam.

2. vingrinājums

Kvadrātveida tinumu veido 40 pagriezieni pa 5 cm katrā pusē, kas rotē ar frekvenci 50 Hz vienota lauka lauka vidienē ar 0,1 T. Sākotnēji spole ir perpendikulāra laukam. Kāda būs ierosinātā emf izteiksme?

Risinājums

No iepriekšējām sadaļām šī izteiksme tika izsecināta:

Atsauces

1. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. Sējums 6. Elektromagnētisms. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
2. Hevits, Pols. 2012. Konceptuālā fiziskā zinātne. 5. Ed Pearson.
3. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.
4. OpenStax koledža. Faraday indukcijas likums: Lenca likums. Atgūts no: opentextbc.ca.
5. Fizika Libretexts. Lenca likums. Atgūts no: phys.libretexts.org.
6. Sears, F. (2009). Universitātes fizikas 2. sējums.