Vad är Lenzs lag och varför är det sant?

Anonim

1839 visade Michael Faraday att en tråd som spolades på ena sidan av en metallring, när den drivs av ett batteri, inducerar en ström i en tråd som spolas på motsatt sida av ringen. Detta trådlösa - som om det var magiskt - överföringen av makt var tydligt från den plötsliga spetsen i läsningen av en galvanometer - en apparat som användes för att mäta ström - som var ansluten till den andra spolen.

Faradays inställning för att visa trådlös energiöverföring.

Före denna demonstration hade Hans Christian Oersted visat att förändrade elektriska fält genererade magnetfält, nu hade Faraday visat att omvänt var också sant: förändring av magnetfält genererade elektriska fält. Ändring är nyckelordet här: för att inducera en konstant ström i den andra spolen, måste Faraday permanent koppla och koppla ur batteriet till den första spolen. Om magnetfältet inte förändras eller viker runt en ledning, skapas inget elektriskt fält, och därför induceras ingen ström.

Faradays induktionslag beskrivs matematiskt som:

Enligt formeln induceras en spänning 'ε' i en spole på grund av graden av förändring av magnetiskt flöde (Δφ / Δt) - förändringshastigheten för magnetfältet 'B' som genomtränger ett område 'A'. Spänningen är också en funktion av spiralerna eller spolarna "N", av den enkla anledningen att flera varv orsakar att magnetfältet korsar kretsen flera gånger. Men vad betyder det negativa tecknet?

Det negativa tecknet symboliserar Lenzs lag, formulerad av fysikern Heinrich Lenz, enligt vilken riktningen för den inducerade strömmen är sådan att det magnetfält den här strömmen genererar motsätter sig förändringen i det magnetiska flödet som det beror på dess existens. Eller, som DJ Griffiths sammanfattat det kortfattat: Naturen förskräcker en förändring i flödet. Men varför är det så?

Varför Lenz lag är sant

Ett exempel på en evig rörelse maskin.

Självklart kan inte evigt maskiner byggas eftersom det är en villkorlig affär att producera energi. Deras beteende strider mot en grundläggande lag i universum - lagen om bevarande av energi. Energi, som fysikhandböcker har ständigt angivit, kan inte skapas eller förstöras. Det kan bara övergå från en form till en annan, det vill säga ett system kan inte skapa energi, utan bara extrahera lite från en källa, ett annat system, som extraherar sin energi från en annan källa och så vidare.

Källan för elektrisk energi som induceras i spolen är ett föränderligt magnetfält som genereras av en rörlig magnet som flyttas av dig eller en maskin som extraherar energin för att flytta magneten från mat eller bränsle och så vidare. När källan är uttömd, kan det inte uppstå något mer varierande magnetfält, generering av energi i systemet eller induktion av en ström i spolen är en fysisk omöjlighet.

Om emellertid magnetfältet som alstras av den inducerade strömmen inte motsatte förändringen i flöde men snarare uppmanade den att förändras ytterligare genom att bidra med sin magnetiska energi skulle strömmen ytterligare öka utan att spolen krävde att extrahera mer energi från en yttre källa. En gratis lunch!

En visuell representation av Lenzs lag. (Fotokredit: Physics LibreTexts)

Faktum är att strömmen skulle förena: den här inkrementerade strömmen alstrar sin andel av magnetisk energi som också bidrar till det varierande magnetfältet och därigenom inducerar en ännu större ström, vilket alstrar ett större magnetfält och så vidare tills en oändlig ström alstras. Man kan sedan driva varje enhet i universum med en enda generator genom att skaka omedelbart den minsta magneten i närheten.

Detta är likvärdigt med att säga att en boll bara nudged framåt, snarare än att gradvis komma till stånd, skulle alltmer accelerera och så småningom uppnå oändlig hastighet, eftersom den friktion det upplevde inte skulle motsätta sig dess rörelse, utan istället bränna den! Det negativa tecknet signalerar helt enkelt att överföringen av energi följer lyden av bevarande av energi. Om ett system kan producera mer energi med den mycket energi den producerar, varför ska det inte fungera: