Νόμος του Lenz — Κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος

Ο νόμος του Lenz σου λέει πώς να βρεις την κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος. Αν η μαγνητική ροή μέσα από έναν βρόχο αλλάζει, το επαγόμενο ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο που αντιστέκεται σε αυτή την αλλαγή. Αν το κύκλωμα είναι ανοιχτό, εξακολουθεί να εμφανίζεται επαγόμενη ΗΕΔ, αλλά δεν ρέει μόνιμο ρεύμα.

Η λέξη-κλειδί είναι η αλλαγή. Το επαγόμενο ρεύμα δεν αντιτίθεται απλώς στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αντιτίθεται στην αύξηση ή τη μείωση της μαγνητικής ροής μέσα από τον βρόχο.

Ο νόμος του Lenz σε μία εξίσωση

Ο νόμος του Faraday και ο νόμος του Lenz γράφονται συχνά μαζί ως

$$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}$$

Για ένα πηνίο με $N$ σπείρες, η ιδανική μορφή γίνεται

$$\mathcal{E} = -N\frac{d\Phi_B}{dt}$$

Το αρνητικό πρόσημο είναι το μέρος που συνδέεται με τον νόμο του Lenz. Κωδικοποιεί την κατεύθυνση: η επαγόμενη ΗΕΔ οδηγεί ένα ρεύμα του οποίου το μαγνητικό αποτέλεσμα αντιστέκεται στη μεταβολή της ροής.

Τι λέει πραγματικά ο νόμος

Η μαγνητική ροή μετρά πόσο μαγνητικό πεδίο περνά μέσα από τον βρόχο. Αν αυτή η ροή αλλάξει, επάγεται μια ΗΕΔ. Αν ο βρόχος είναι κλειστός αγωγός, αυτή η ΗΕΔ μπορεί να οδηγήσει ρεύμα.

Ο νόμος του Lenz σου λέει προς ποια κατεύθυνση πηγαίνει αυτό το ρεύμα. Αν η εξωτερική ροή μέσα από τον βρόχο αυξάνεται προς μία κατεύθυνση, το επαγόμενο ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αν η εξωτερική ροή μειώνεται, το επαγόμενο ρεύμα δημιουργεί πεδίο προς την ίδια κατεύθυνση με την αρχική ροή ώστε να αντισταθεί στη μείωση.

Γι’ αυτό ο κανόνας αφορά την αντίσταση στην αλλαγή και όχι την αντίσταση στο ίδιο το πεδίο.

Λυμένο παράδειγμα: Μαγνήτης που πλησιάζει έναν βρόχο

Υπόθεσε ότι ο βόρειος πόλος ενός ραβδόμορφου μαγνήτη κινείται ευθεία προς έναν αγώγιμο βρόχο. Κοίτα τον βρόχο από την πλευρά του μαγνήτη.

Καθώς ο μαγνήτης πλησιάζει, η μαγνητική ροή μέσα από τον βρόχο αυξάνεται. Ο νόμος του Lenz λέει ότι ο βρόχος πρέπει να δημιουργήσει το δικό του μαγνητικό πεδίο που αντιστέκεται σε αυτή την αύξηση.

Αυτό σημαίνει ότι η πλευρά του βρόχου κοντά στον μαγνήτη πρέπει να λειτουργεί σαν βόρειος πόλος. Έτσι δημιουργείται απωστική αλληλεπίδραση και αντιστέκεται στην αυξανόμενη ροή.

Χρησιμοποιώντας τον κανόνα του δεξιού χεριού για έναν βρόχο ρεύματος, αυτό σημαίνει ότι το επαγόμενο ρεύμα είναι αριστερόστροφο όπως φαίνεται από την πλευρά του μαγνήτη.

Αν ο ίδιος μαγνήτης απομακρύνεται αντί γι’ αυτό, τότε η ροή προς εκείνη την κατεύθυνση μειώνεται. Το επαγόμενο ρεύμα αντιστρέφεται ώστε ο βρόχος να προσπαθήσει να διατηρήσει την αρχική κατεύθυνση της ροής. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα είναι δεξιόστροφο όπως φαίνεται από την πλευρά του μαγνήτη.

Πώς να βρεις την κατεύθυνση βήμα προς βήμα

Όταν οι ερωτήσεις για την κατεύθυνση φαίνονται μπερδεμένες, χρησιμοποίησε αυτή τη σειρά:

1. Διάλεξε μια θετική κατεύθυνση για τη μαγνητική ροή μέσα από τον βρόχο.
2. Αποφάσισε αν η εξωτερική ροή προς αυτή την κατεύθυνση αυξάνεται ή μειώνεται.
3. Χρησιμοποίησε τον νόμο του Lenz για να επιλέξεις την κατεύθυνση του επαγόμενου μαγνητικού πεδίου που αντιστέκεται σε αυτή την αλλαγή.
4. Χρησιμοποίησε τον κανόνα του δεξιού χεριού για να μετατρέψεις αυτή την κατεύθυνση του επαγόμενου πεδίου σε κατεύθυνση ρεύματος.

Αυτό είναι συνήθως πιο ασφαλές από το να προσπαθείς να μαντέψεις την απάντηση από μνήμης.

Συνηθισμένα λάθη με τον νόμο του Lenz

• Να λες ότι το επαγόμενο ρεύμα αντιτίθεται στο μαγνητικό πεδίο. Η πιο ασφαλής διατύπωση είναι ότι αντιτίθεται στη μεταβολή της μαγνητικής ροής.
• Να παραλείπεις το βήμα της ροής και να προσπαθείς να μαντέψεις την κατεύθυνση του ρεύματος απευθείας από την κίνηση.
• Να ξεχνάς ότι δεν ρέει μόνιμο ρεύμα αν δεν υπάρχει κλειστή αγώγιμη διαδρομή, παρόλο που μπορεί να επάγεται ΗΕΔ.
• Να μπερδεύεις τον κανόνα του δεξιού χεριού για την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου με τον κανόνα του δεξιού χεριού για τη δύναμη σε κινούμενο φορτίο.
• Να αντιμετωπίζεις τον νόμο του Lenz ως ξεχωριστό από τον νόμο του Faraday. Στην πράξη, είναι το μέρος του νόμου του Faraday που αφορά την κατεύθυνση.

Πού εμφανίζεται ο νόμος του Lenz

Ο νόμος του Lenz χρησιμοποιείται σε γεννήτριες, μετασχηματιστές, πηνία, πέδηση με δινορρεύματα, επαγωγικές εστίες και σε πολλά βασικά προβλήματα ηλεκτρομαγνητισμού.

Επίσης, διατηρεί τα προβλήματα επαγωγής φυσικά συνεπή. Το επαγόμενο αποτέλεσμα δεν μπορεί να ενισχύει τη μεταβολή της ροής χωρίς πηγή ενέργειας, οπότε το πρόσημο από τον νόμο του Lenz έχει σημασία.

Δοκίμασε μια παρόμοια περίπτωση

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή αντιστρέφοντας την κίνηση στο παράδειγμα: κράτησε τον ίδιο βρόχο και τον ίδιο μαγνήτη, αλλά άφησε τον μαγνήτη να απομακρύνεται από τον βρόχο. Αποφάσισε αν η ροή αυξάνεται ή μειώνεται και μετά πρόβλεψε την κατεύθυνση του ρεύματος πριν την ελέγξεις με τον κανόνα του δεξιού χεριού.