Lenzův zákon elektromagnetické indukce
Lenzův zákon elektromagnetické indukce: indukovaná emf a proud působí svým magnetickým polem proti změně magnetického toku. Princip, odůvodnění, příklady a praktické aplikace.
Lenzův zákon popisuje, jak se v elektrických obvodech chovají indukované emfy a proudy tak, aby byla zachována energie a zabráněno samovolnému zesílení změn magnetického pole. Tento princip se obvykle vysvětluje v souvislosti s elektromagnetickými jevy a s principem zachování energie.
Galerie obrázků
2 Obrázky
Formulace zákona
Stručná formulace Lenzova zákona zní:
Indukovaná elektromotorická síla (emf) vždy vyvolává proud, jehož magnetické pole působí proti změně původního magnetického toku.
Tento odporný směr se matematicky vyjadřuje záporným znaménkem ve Faradayově indukčním zákoně:
E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {B} }}{\partial t}}} 
Směr indukovaného proudu — jak zákon funguje
Prakticky to znamená, že směr indukovaného napětí a proudu je vždy takový, aby působil proti příčině, která jej vytváří. Typický postup myšlení lze shrnout:
- Určíme, jak se mění magnetický tok procházející smyčkou.
- Podle Lenzova zákona musí indukované pole tuto změnu částečně nebo úplně kompenzovat.
- Směr indukovaného proudu najdeme tak, aby jeho vlastní pole působilo proti původní změně.
Příklad smyčky: pokud se proud vyvolaný vnější příčinou zvětšuje ve směru hodinových ručiček, indukované napětí působí opačně, tedy proti růstu tohoto proudu. Při určování směru indukovaného pole pomůže, že indukovaný proud sám vytváří magnetické pole; pro orientaci takového pole se obvykle používá pravidlo pravého úchopu.
Cívka, zpětná emf a vlastní indukčnost
Klasický a často citovaný příklad je náhlé zapojení nebo vypnutí baterie k cívce:
- Při zapnutí baterie proud cívkou narůstá, mění se magnetický tok a podle Lenzova zákona vzniká indukovaná emf, která se snaží růst proudu omezit.
- Při rozepnutí obvodu indukovaná emf působí tak, aby bránila náhlému zániku proudu — to vysvětluje i jiskření kontaktních spínačů.
- Tento jev, kdy proud vytváří vlastní odpor k jeho změně, se označuje jako vlastní indukčnost a indukovaná emf z ní vzniklá se často nazývá zpětná emf.
Důvody, důsledky a fyzikální smysl
Lenzův zákon lze odůvodnit z požadavku, aby nedocházelo k porušení energetické bilance: pokud by indukovaná emf podporovala změnu, vedlo by to k nekonečnému zesilování proudu a k nestabilitě systému. To je v rozporu s principem zachování energie.
Praktické důsledky a oblasti použití:
- brzdění vířivými proudy v konstrukcích průmyslových brzd nebo tachogenerátorů,
- navrhování transformátorů, cívek a obvodů s požadavky na potlačení přechodových jevů,
- vysvětlení jiskření a přechodových napětí při spínání.
Obecné zobecnění a souvislost s principy v jiných oblastech
Lenzův zákon má analogii v termodynamických a chemických systémech: jestliže je systém v rovnováze a dojde k jeho vnější změně, systém se obvykle posune způsobem, který působí proti této změně. Toto zobecnění je známé jako Le Chatelierův princip.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to Lenzův zákon?
Odpověď: Lenzův zákon říká, že indukovaná elektromotorická síla (emf) vždy vyvolá proud, jehož magnetické pole je proti změně původního magnetického toku.
Otázka: Jak se Lenzův zákon projevuje ve Faradayově indukčním zákoně?
Odpověď: Ve Faradayově indukčním zákoně je Lenzův zákon znázorněn se záporným znaménkem, což znamená, že indukovaná emf a změna magnetického toku mají opačná znaménka.
Otázka: Jakým směrem teče indukovaný proud, když B' směřuje ven ze stránky a plocha obvodu se zmenšuje?
Odpověď: Indukovaný proud teče proti směru hodinových ručiček, když B' směřuje ven ze stránky a plocha obvodu se zmenšuje.
Otázka: O co se příroda snaží prostřednictvím tohoto indukovaného pole?
Odpověď: Příroda se snaží kompenzovat snížení toku v důsledku přiloženého pole vytvořením magnetického pole směřujícího ven v obvodu v důsledku indukovaného proudu.
Otázka: Co se stane, když je baterie náhle připojena k cívce drátu?
Odpověď: Když je baterie náhle připojena k cívce vodiče, začne z pohledu pozorovatele protékat proud ve směru hodinových ručiček. To vyvolá indukované emf, které bude podle Lenzova zákona působit proti směru hodinových ručiček a bude odporovat jakémukoli zvýšení proudu způsobenému připojením.
Otázka: Jaký vliv má vlastní indukčnost na obvody s měnícím se proudem?
Odpověď: Samoindukčnost způsobuje, že zvýšení proudu v cívce vede k emf, které je proti tomuto zvýšení, a tím zabraňuje nestabilním situacím, kdy by bylo porušeno zachování energie.
Otázka: Jaký princip lze rozšířit z Lenzova zákona?
Odpověď: Lenzův zákon lze rozšířit na Le Chatelierův princip, který říká, že pokud byla rovnováha v systému narušena, rovnováha se posune tak, aby se zrušily všechny účinky způsobené tímto narušením.
Související články
Autor
AlegsaOnline.com Lenzův zákon elektromagnetické indukce Leandro Alegsa
URL: https://cs.alegsaonline.com/art/57174
Zdroje
- books.google.com : Electromagnetics explained