Lenzo dėsnis: apibrėžimas, principas ir pavyzdžiai
Lenzo dėsnis: aiškus apibrėžimas, principas ir praktiniai pavyzdžiai apie indukuotą emf, sroves bei jų poveikį elektromagnetinėms grandinėms.
Lenco dėsnis (pavadintas Emilio Lenco vardu) paaiškina, kaip indukuota elektromagnetinė jėga (emf) ir susidariusi srovė reaguoja į magnetinio srauto pokyčius. Šis dėsnis yra glaudžiai susijęs su elektromagnetinėmis indukcijos reiškmėmis, energijos išsaugojimo principu ir praktiškai išreiškiamas Faradėjaus indukcijos dėsniu su minuso ženklu.
Formulė ir prasmė
Faradėjaus-Lenco dėsnis rašomas taip:
E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {B} }}{\partial t}}} 
Čia ΦB yra magnetinis srautas per kontūro plokštumą (ΦB = ∫ B·dA). Minuso ženklas reiškia, kad indukuota emf (ℰ) ir magnetinio srauto pokytis (∂ΦB/∂t) turi priešingus ženklus — kitaip tariant, indukuota emf veikia taip, kad prieštarautų srauto pokyčiui. Tai ir yra Lenco dėsnis:
Indukuotos emf kryptis visada yra tokia, kad ji būtų priešinga ją sukeliančiam magnetinio srauto pokyčiui.
Krypties nustatymas ir taisyklės
Praktikoje Lenco dėsnį naudojant dažnai pritaikoma dešiniosios rankenos taisyklė arba Ampéro taisyklė, kad nustatyti indukuotosios srovės sukuriamo magnetinio lauko kryptį. Pvz., jei magnetinis laukas B iš puslapio didėja, indukuota srovė susidarys taip, kad jos sukurtas laukas būtų priešingas — nukreiptų į puslapį (arba priešinga kryptimi), taip bandydamas sumažinti didėjantį srautą.
Pavyzdžiai ir kasdienės pasekmės
- Magnetas artinamas prie ritės: artinant žiemą į ritę, magnetinio srauto dydis per ritę didėja — ritė reaguoja indukuota srove, kurios laukas stengiasi priešintis srauto didėjimui. Atitraukiant magnetą, srautas mažėja, ir indukuota srovė keičia kryptį, kad prieštarautų mažėjimui.
- Ritė, prijungta prie akumuliatoriaus: staiga prijungus akumuliatorių srovė ritėje pradeda augti; didėjant srovei, kinta magnetinis laukas, todėl ritėje atsiranda atsarginė (back emf) — ji priešinosi srovės didėjimui. Atitinkamai, nutrūkus srovei (pvz., atidarius jungiklį), indukuota emf linkusi neleisti srovės išnykti, dėl to ir matomas kibirkštis.
- Saviinduktyvumas: indukuota emf, susijusi su srovės pokyčiu pačioje ritėje, aprašoma santykiu ℰ = −L dI/dt, kur L — saviinduktyvumo koeficientas (matavimo vienetas — henris). Ritės energija magnetiniame lauke lygi E = ½ L I².
- Eddy srovės ir magnetinis stabdymas: metalo lakštui judant per kintantį magnetinį lauką susidaro sūkurinės (eddy) srovės, kurios sukuria priešingą lauką ir išstumia kinetinę energiją kaip šilumą — principas panaudotas traukinių magnetinių stabdžių sistemose.
- Generatoriaus atvejis: mechaninis darbas, pvz., sukamasis judesys, kurio metu kinta magnetinis srautas, verčiamas į elektros energiją — bet Lenco dėsnis reiškia, kad šis mechaninis darbas turi įveikti indukuotosios srovės sukuriamą pasipriešinimą (tai paaiškina, kodėl generatorių sukinėti reikia dėti jėgą).
Energijos ir stabilumo paaiškinimas
Jeigu Lenco dėsnis neveiktų, indukuota emf galėtų veikti pagalbine kryptimi (padėti srovei didėti) — tai leistų savarankiškai augančiai srovei nuolatos didinti energiją be išorinio šaltinio, kas pažeistų energijos išsaugojimo principą. Todėl Lenco dėsnis užtikrina stabilumą ir energijos balansą elektros grandinėse.
Ryšys su platesniais principais
Platesniu mastu Lenco dėsnis atitinka panašią idėją kaip Le Šateljė principas: kai pusiausvyrą turinti sistema sutrikdoma, sistema reaguoja tokiu būdu, kad priešintųsi sutrikdymui. Elektromagnetikoje tai reiškia — indukuota reakcija priešinasi magnetinio srauto pokyčiui.
Santrauka
- Lenco dėsnis nustato indukuotos emf kryptį: ji visada priešinasi magnetinio srauto pokyčiui.
- Formali išraiška: ℰ = −∂ΦB/∂t (Faradėjaus dėsnis su minuso ženklu).
- Praktinės pasekmės: kibirkštijimas jungiklį atidarant, saviinduktyvumas ritėse (ℰ = −L dI/dt), sūkurinės srovės ir magnetinis stabdymas, taip pat mechaninio darbo veikimas generatoriuose.
Lenco dėsnio induktorius
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Lenco dėsnis?
Atsakymas: Pagal Lenco dėsnį indukuota elektromagnetinė jėga (emf) visada sukuria srovę, kurios magnetinis laukas priešingas pradinio magnetinio srauto pokyčiui.
K: Kaip Lenco dėsnis pasireiškia Faradėjaus indukcijos dėsnyje?
A: Faradėjaus indukcijos dėsnyje Lenco dėsnis vaizduojamas su neigiamu ženklu, reiškiančiu, kad indukuota emf ir magnetinio srauto pokytis yra priešingi.
K: Kuria kryptimi teka indukuotoji srovė, kai B' nukreiptas iš šono į išorę ir grandinės paviršiaus plotas sumažėja?
A: Indukuotoji srovė sklinda prieš laikrodžio rodyklę, nes B' juda iš šono į išorę ir grandinės plotas mažėja.
Klausimas: Ką gamta bando padaryti šiuo indukuotu lauku?
Atsakymas: Gamta bando kompensuoti srauto sumažėjimą dėl taikomojo lauko, sukurdama išorinį magnetinį lauką grandinėje, kurį sukelia indukuota srovė.
K: Kas atsitinka, kai akumuliatorius staiga prijungiamas prie laidžios ritės?
A: Kai baterija staiga prijungiama prie vielinės ritės, ji sukelia srovę, kuri stebėtojo požiūriu teka pagal laikrodžio rodyklę. Dėl to susidaro indukuotasis emf, kuris pagal Lenco dėsnį yra prieš laikrodžio rodyklę ir priešinasi srovės padidėjimui dėl jungties.
K: Kokią įtaką saviinduktyvumas daro grandinėms, kuriose keičiasi srovės?
Atsakymas: Dėl saviinduktyvumo, padidėjus apvijos srovei, atsiranda emf, kuris priešinasi šiam padidėjimui, todėl išvengiama nestabilių situacijų, kai būtų pažeistas energijos išsaugojimas.
K:Kurį principą galima išplėsti iš Lenco dėsnio?
Atsakymas: Lenco dėsnį galima išplėsti iki Le Šateljė principo, kad, sutrikdžius sistemos pusiausvyrą, pusiausvyra pasislenka taip, kad trikdžių poveikis būtų panaikintas.
Ieškoti