กฎของเลนซ์ — ทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำ

กฎของเลนซ์บอกวิธีหาทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำ หากฟลักซ์แม่เหล็กผ่านลูปเปลี่ยนไป กระแสเหนี่ยวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ต้านการเปลี่ยนแปลงนั้น ถ้าวงจรเปิดอยู่ ก็ยังมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นได้ แต่จะไม่มีกระแสไหลอย่างต่อเนื่อง

คำสำคัญคือ การเปลี่ยนแปลง กระแสเหนี่ยวนำไม่ได้ต้านสนามแม่เหล็กภายนอกโดยตรง แต่มันต้านการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านลูป

กฎของเลนซ์ในสมการเดียว

กฎของฟาราเดย์และกฎของเลนซ์มักเขียนรวมกันเป็น

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

สำหรับขดลวดที่มี $N$ รอบ รูปแบบอุดมคติจะเป็น

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

เครื่องหมายลบคือส่วนที่เกี่ยวข้องกับกฎของเลนซ์ มันบอกทิศทางว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะขับกระแสให้เกิดผลทางแม่เหล็กที่ต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์

กฎนี้กำลังบอกอะไรจริง ๆ

ฟลักซ์แม่เหล็กใช้วัดว่ามีสนามแม่เหล็กผ่านลูปมากแค่ไหน ถ้าฟลักซ์นั้นเปลี่ยนไป ก็จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้น ถ้าลูปเป็นตัวนำที่ปิดครบวงจร แรงเคลื่อนไฟฟ้านั้นก็สามารถขับให้เกิดกระแสได้

กฎของเลนซ์บอกว่ากระแสนั้นไหลไปทางไหน ถ้าฟลักซ์ภายนอกผ่านลูปในทิศหนึ่งกำลังเพิ่มขึ้น กระแสเหนี่ยวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กในทิศตรงข้าม แต่ถ้าฟลักซ์ภายนอกกำลังลดลง กระแสเหนี่ยวนำจะสร้างสนามในทิศเดียวกับฟลักซ์เดิมเพื่อต้านการลดลงนั้น

นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมกฎนี้จึงเกี่ยวกับ การต้านการเปลี่ยนแปลง ไม่ใช่การต้านสนามแม่เหล็กเอง

ตัวอย่างทำโจทย์: แม่เหล็กเคลื่อนเข้าใกล้ลูป

สมมติว่าขั้วเหนือของแม่เหล็กแท่งเคลื่อนตรงเข้าหาลูปตัวนำ ให้มองลูปจากด้านที่แม่เหล็กอยู่

เมื่อแม่เหล็กเข้าใกล้มากขึ้น ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านลูปจะเพิ่มขึ้น กฎของเลนซ์บอกว่าลูปต้องสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองเพื่อต้านการเพิ่มขึ้นนั้น

นั่นหมายความว่าด้านของลูปที่อยู่ใกล้แม่เหล็กต้องทำตัวเหมือนขั้วเหนือ สิ่งนี้ทำให้เกิดแรงผลักและต้านฟลักซ์ที่กำลังเพิ่มขึ้น

เมื่อใช้กฎมือขวาสำหรับลูปกระแส จะได้ว่ากระแสเหนี่ยวนำมีทิศทวนเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากด้านแม่เหล็ก

ถ้าแม่เหล็กอันเดิมเคลื่อนออกห่างแทน ฟลักซ์ในทิศนั้นจะลดลง กระแสเหนี่ยวนำจะกลับทิศเพื่อให้ลูปพยายามคงทิศของฟลักซ์เดิมไว้ ในกรณีนั้น กระแสจะเป็นตามเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากด้านแม่เหล็ก

วิธีหาทิศทางทีละขั้น

ถ้าโจทย์เรื่องทิศทางดูสับสน ให้ใช้ลำดับนี้:

1. กำหนดทิศบวกของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านลูป
2. ตัดสินว่าฟลักซ์ภายนอกในทิศนั้นกำลังเพิ่มขึ้นหรือลดลง
3. ใช้กฎของเลนซ์เพื่อเลือกทิศของสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำที่ต้านการเปลี่ยนแปลงนั้น
4. ใช้กฎมือขวาแปลงทิศของสนามเหนี่ยวนำให้เป็นทิศของกระแส

วิธีนี้มักปลอดภัยกว่าการพยายามเดาคำตอบจากความจำ

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับกฎของเลนซ์

• บอกว่ากระแสเหนี่ยวนำต้านสนามแม่เหล็ก ข้อความที่ปลอดภัยกว่าคือมันต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก
• ข้ามขั้นฟลักซ์แล้วพยายามเดาทิศกระแสจากการเคลื่อนที่โดยตรง
• ลืมว่าไม่มีกระแสไหลอย่างต่อเนื่องถ้าไม่มีทางนำไฟฟ้าที่ปิดครบวงจร แม้ว่าจะยังมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นได้
• สับสนระหว่างกฎมือขวาสำหรับทิศของสนามแม่เหล็กกับกฎมือขวาสำหรับแรงที่กระทำต่อประจุที่กำลังเคลื่อนที่
• มองว่ากฎของเลนซ์แยกจากกฎของฟาราเดย์ ทั้งที่ในทางปฏิบัติมันคือส่วนที่บอกทิศทางของกฎของฟาราเดย์

กฎของเลนซ์พบได้ที่ไหน

กฎของเลนซ์ถูกใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง ตัวเหนี่ยวนำ การเบรกด้วยกระแสไหลวน เตาแม่เหล็กไฟฟ้า และโจทย์พื้นฐานด้านแม่เหล็กไฟฟ้าอีกมากมาย

มันยังช่วยให้โจทย์การเหนี่ยวนำสอดคล้องกับหลักฟิสิกส์ด้วย ผลที่เกิดจากการเหนี่ยวนำไม่สามารถไปเสริมการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ได้เองโดยไม่มีแหล่งพลังงาน ดังนั้นเครื่องหมายจากกฎของเลนซ์จึงสำคัญ

ลองทำกรณีคล้ายกัน

ลองเปลี่ยนโจทย์ด้วยตัวเองโดยกลับทิศการเคลื่อนที่ในตัวอย่างเดิม: ใช้ลูปและแม่เหล็กอันเดิม แต่ให้แม่เหล็กเคลื่อนออกห่างจากลูป ตัดสินว่าฟลักซ์กำลังเพิ่มขึ้นหรือลดลง แล้วทำนายทิศของกระแสก่อนตรวจด้วยกฎมือขวา