Lenca likums — elektromagnētiskās indukcijas likums, skaidrojums un piemēri
Lenca likums — skaidrojums, būtība un praktiski piemēri elektromagnētiskās indukcijas izpratnei. Saprotami piemēri, formulas un ilustrācijas.
Lenca likums (Lenz's law) formulē principu, kā inducēta strāva reaģē uz magnētiskās plūsmas izmaiņām. Tas nosaukts Emīla Lenca vārdā un to parasti formulē šādi:
Inducēts elektromotora spēks (emf) vienmēr rada strāvu, kuras magnētiskais lauks ir pretējs sākotnējās magnētiskās plūsmas izmaiņām.
Saikne ar Faradeja likumu
Lenca likums ir iekļauts Faradeja indukcijas likumā ar negatīvu zīmi, kas norāda pretējumu starp inducēto emf un plūsmas izmaiņu:
E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {E}}}=-{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {B} }}}{\daļējs t}}} 
,
tātad inducētais emf (ℰ) ir vienāds ar negatīvo magnētiskās plūsmas ΦB laika atvasinājumu. Negatīvā zīme matemātiski pierāda Lenca principu: inducētā elektromotora spēka (un ar to arī inducētās strāvas) virziens vienmēr ir tāds, lai pretotos plūsmas izmaiņai.
Kā noteikt inducētās strāvas virzienu
Lai ātri noteiktu, kurā virzienā tecēs inducētā strāva, noder šāds vienkāršs paņēmiens:
- Nosaki, vai magnētiskā plūsma caur cilpu palielinās vai samazinās.
- Saprotot izmaiņu (palielinājums vai samazinājums), izlemt, kādā virzienā inducētais magnētiskais lauks būtu vērsts, lai pretotos šai izmaiņai (piemēram, ja plūsma palielinās uz iekšpusi, inducētais lauks būs uz āru).
- Izmanto labās roktura rokas noteikumu (right-hand rule), lai noteiktu, kādā virzienā strāva circuit spēj radīt šo nepieciešamo magnētisko lauku.
Piemēri un skaidrojumi
Praktiski piemēri palīdz labāk saprast Lenca likumu:
- Spole un akumulators: ja spolei pēkšņi pieslēdz akumulatoru un strāva pa sākotnējo vadu palielinās, magnētiskā plūsma paaugstinās. Lenca likums paredz, ka inducētā emf būs tādā virzienā, lai radītu strāvu, kas pretotos šim pieaugumam (tātad pretējs virziens no palielinošās strāvas). Kad strāva tiek izslēgta, inducētais emf cenšas uzturēt plūsmu – tas izskaidro dzirksteļošanu pie slēdžiem.
- Magnēts un spole: ja magnetu tuvinām spolei, magnētiskā plūsma spolē palielinās; inducētā strāva radīs magnētisko lauku, kas pretosies tuvināšanai (piemēram, spole uzliks pretspēku piem. atgrūst). Ja magnets tiek attālināts, inducētais lauks centīsies to pievilkt.
- Pārejas un pašinduktivitāte: inducētais emf sprieguma izmaiņu dēļ, kas rodas pašas strāvas maiņas rezultātā, sauc par pretējo emf. Šo efektu apraksta pašinduktivitātes lielums L, un inducētais spriegums ir ℰ = -L (dI/dt). Tas ir svarīgi gan transformatoru darbībā, gan strāvas impulsu ierobežošanā ķēdēs.
- Vēlās aplikācijas: Lenca likuma dēļ veidojas arī virpuļstrāvas (eddy currents) vadītājos, kas tiek izmantotas šķiedru bremzēs (eddy-current braking), metāla detektoros, indukcijas plītīs un transformatoros. Virpuļstrāvas parasti rada enerģijas zudumus siltumā, tāpēc mašīnzinātnē lieto magnetisku slēgšanu vai izolācijas kārtiņas, lai samazinātu tos.
Energijas un stabilitātes skaidrojums
Lenca likums ir cieši saistīts ar enerģijas saglabāšanas principu. Ja likums nebūtu spēkā, palielinoša strāva spolē varētu izraisīt emf, kas vēl vairāk pastiprina šo strāvu, radot pašpastiprinošu un neierobežotu procesu (ad infinitum). Tas būtu pretrunā ar enerģijas saglabāšanu un novestu pie nestabilas sistēmas. Praktiski tas nozīmē, ka, lai mainītu magnētisko plūsmu, jāiegulda darbs; šis ieguldītais darbs vai nu uzkrājas magnētiskajā laukā, vai tiek iztērēts kā siltums virpuļstrāvās.
Vispārinājums un līdzības citos laukos
Šo principu — sistēma reaģē tā, lai pretotos ārējai ievērstai izmaiņai — var redzēt arī citur fizikā un ķīmijā. Piemēram, ja sistēma, kas ir līdzsvarā, tiek izjaukta, tai ir tendence pārvietoties tādā virzienā, kas samazina izraisīto traucējumu. Šo vispārinājumu bieži sauc par Le Šateljē principu.
Kopsavilkums
- Lenca likums: inducētā strāva rada magnētisko lauku, kas pretosies sākotnējām plūsmas izmaiņām.
- Faradeja likuma negatīvā zīme matemātiski atspoguļo šo opozīciju (ℰ = - dΦB/dt).
- Praktiski tas izpaužas spolēs, ģeneratoros, transformatoros, virpuļstrāvu zudumos un bremzēs un nodrošina enerģijas saglabāšanas konsekvenci.
Lenca likums-induktors
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Lenca likums?
Atbilstoši Lenca likumam inducēts elektromotora spēks (emf) vienmēr rada strāvu, kuras magnētiskais lauks ir pretējs sākotnējās magnētiskās plūsmas izmaiņām.
J: Kā Lenca likums parādās Faradeja indukcijas likumā?
A: Faradeja indukcijas likumā Lenca likums ir attēlots ar negatīvu zīmi, kas norāda, ka inducētā emf un magnētiskā indukcijas plūsmas izmaiņas ir pretējas.
J: Kurā virzienā plūst inducētā strāva, ja B' ir vērsts no sāniem uz āru un ķēdes virsmas laukums samazinās?
A: Inducētā strāva pārvietojas pretēji pulksteņrādītāja rādītāja virzienam, jo B' pārvietojas no sāniem uz āru, un ķēdes laukums samazinās.
J: Ko daba cenšas panākt ar šo inducēto lauku?
A: Daba cenšas kompensēt pieliktā lauka radīto plūsmas samazināšanos, radot ārējo magnētisko lauku ķēdē, ko izraisa inducētā strāva.
J: Kas notiek, ja akumulatoru pēkšņi pieslēdz pie vadošas spoles?
A: Kad akumulators pēkšņi tiek pieslēgts stieples spolei, tas izraisa strāvu, kas, raugoties no novērotāja skatpunkta, plūst pulksteņrādītāja virzienā. Tas rada inducēto emf, kas saskaņā ar Lenca likumu ir pretēji pulksteņrādītāja virzienam un pretojas strāvas pieaugumam, ko izraisa savienojums.
J: Kāda ietekme pašinduktivitātei ir uz ķēdēm, kurās mainās strāvas?
A: Pašinduktivitāte izraisa strāvas palielināšanos tinumā, lai radītu emf, kas pretojas šim palielinājumam, tādējādi novēršot nestabilas situācijas, kurās tiktu pārkāptas enerģijas saglabāšanas prasības.
J:Kuru principu var paplašināt no Lenca likuma?
A: Lenca likumu var paplašināt ar Le Šateljē principu, ka, ja sistēmas līdzsvars tiek izjaukts, līdzsvars mainās tā, ka izjaukta līdzsvara ietekme tiek anulēta.
Meklēt