UNDANG-UNDANG LENZ: FORMULA, PERSAMAAN, APLIKASI, CONTOH - FIZIKAL - 2025

The Lenz 's undang-undang menyatakan bahawa kekutuban daya gerak elektrik teraruh dalam litar tertutup disebabkan oleh perubahan dalam bidang fluks magnet adalah seperti yang menentang perubahan dalam aliran tersebut.

Tanda negatif yang mendahului undang-undang Faraday mempertimbangkan undang-undang Lenz, menjadi sebab mengapa ia disebut hukum Faraday-Lenz dan dinyatakan sebagai berikut:

Rajah 1. Gegelung toroidal mampu mendorong arus pada konduktor lain. Sumber: Pixabay.

Formula dan persamaan

Dalam persamaan ini, B adalah besarnya medan magnet (tanpa tebal atau anak panah, untuk membezakan vektor dari magnitudnya), A adalah luas permukaan yang dilintasi oleh medan, dan θ adalah sudut antara vektor B dan n .

Fluks medan magnet dapat diubah dengan cara yang berbeza dari masa ke masa, untuk menghasilkan emf yang diinduksi dalam gelung - litar tertutup - kawasan A. Contohnya:

-Membuat pemboleh ubah medan magnet dengan masa: B = B (t), menjaga luas dan sudut tetap, kemudian:

Permohonan

Penerapan segera undang-undang Lenz adalah untuk menentukan arah emf atau arus yang diinduksi tanpa memerlukan pengiraan. Pertimbangkan perkara berikut: anda mempunyai gelung di tengah medan magnet, seperti yang dihasilkan oleh magnet bar.

Gambar 2. Penerapan Undang-undang Lenz. Sumber: Wikimedia Commons.

Sekiranya magnet dan gelung saling beristirahat antara satu sama lain, tidak ada yang berlaku, iaitu, tidak akan ada arus yang disebabkan, kerana fluks medan magnet tetap berterusan dalam kes itu (lihat gambar 2a). Untuk arus yang diinduksi, fluks mesti berbeza-beza.

Sekarang, jika ada pergerakan relatif antara magnet dan gelung, baik dengan menggerakkan magnet ke arah gelung, atau ke arah magnet, arus arus akan diukur (Gambar 2b dan seterusnya).

Arus yang diinduksi ini seterusnya menghasilkan medan magnet, oleh itu kita akan mempunyai dua medan: magnet B ₁ berwarna biru dan satu yang dikaitkan dengan arus yang dibuat oleh aruhan B ₂ , dengan warna jingga.

Peraturan ibu jari kanan memungkinkan untuk mengetahui arah B ₂ , untuk ini ibu jari tangan kanan diletakkan pada arah dan arah arus. Empat jari yang lain menunjukkan arah di mana medan magnet dibengkokkan, menurut gambar 2 (di bawah).

Pergerakan magnet melalui gelung

Katakan magnet dijatuhkan ke arah gelung dengan kutub utara diarahkan ke arahnya (gambar 3). Garisan medan magnet meninggalkan kutub utara N dan memasuki kutub selatan S. Kemudian akan berlaku perubahan pada Φ, fluks yang dibuat oleh B ₁ melalui gelung: Φ meningkat! Oleh itu dalam gelung medan magnet B _{2 dibuat} dengan niat yang bertentangan.

Rajah 3. Magnet bergerak ke arah gelung dengan kutub utara ke arahnya. Sumber: Wikimedia Commons.

Arus yang diinduksi berjalan berlawanan arah jarum jam, panah merah pada Gambar 2 dan 3-, mengikut peraturan ibu jari kanan.

Kami menjauhkan magnet dari gelung dan kemudian Φnya berkurang (Gambar 2c dan 4), oleh itu gelung bergegas membuat medan magnet B ₂ ke arah yang sama, untuk mengimbangi. Oleh itu, arus yang diinduksi adalah setiap jam, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Magnet bergerak dari gelung, selalu dengan kutub utara menunjuk ke arahnya. Sumber: Wikimedia Commons.

Membalikkan kedudukan magnet

Apa yang berlaku sekiranya kedudukan magnet terbalik? Sekiranya tiang selatan menunjuk ke arah gelung, medan menunjuk ke atas, kerana garis B dalam magnet meninggalkan kutub utara dan memasuki kutub selatan (lihat gambar 2d).

Hukum Lenz segera memberitahu bahawa medan menegak ini ke atas, bergegas ke arah gelung, akan mendorong medan yang berlawanan di dalamnya, iaitu B ₂ ke bawah dan arus yang diinduksi juga akan setiap jam.

Akhirnya magnet bergerak menjauh dari gelung, selalu dengan tiang selatannya menunjuk ke arah dalamnya. Kemudian medan B ₂ dihasilkan di dalam gelung untuk membantu memastikan bahawa menjauh dari magnet tidak mengubah fluks medan di dalamnya. Kedua-dua B ₁ dan B ₂ akan mempunyai makna yang sama (lihat gambar 2d).

Pembaca akan menyedari bahawa, seperti yang dijanjikan, tidak ada perhitungan yang dibuat untuk mengetahui arah arus aruhan.

Percubaan

Heinrich Lenz (1804-1865) melakukan banyak kerja eksperimen sepanjang karier ilmiahnya. Yang paling terkenal adalah yang baru saja kita jelaskan, yang didedikasikan untuk mengukur daya dan kesan magnet yang dihasilkan dengan menjatuhkan magnet secara tiba-tiba di tengah gelung. Dengan hasilnya dia menyempurnakan kerja yang dilakukan oleh Michael Faraday.

Tanda negatif dalam undang-undang Faraday ternyata menjadi eksperimen yang selama ini dia paling dikenali. Walaupun begitu, Lenz melakukan banyak pekerjaan dalam geofizik semasa mudanya, sementara itu dia sibuk menjatuhkan magnet ke dalam gegelung dan tiub. Dia juga melakukan kajian mengenai ketahanan elektrik dan kekonduksian logam.

Khususnya, pada kesan kenaikan suhu terhadap nilai rintangan. Dia tidak gagal untuk memerhatikan bahawa ketika wayar dipanaskan, rintangan menurun dan haba hilang, sesuatu yang juga diperhatikan oleh James Joule secara bebas.

Untuk selalu mengingat sumbangannya terhadap elektromagnetisme, selain undang-undang yang menanggung namanya, induktansi (gegelung) dilambangkan dengan huruf L.

Tiub Lenz

Ini adalah eksperimen di mana ia menunjukkan bagaimana magnet melambatkan ketika dilepaskan ke dalam tiub tembaga. Apabila magnet jatuh, ia menghasilkan variasi dalam fluks medan magnet di dalam tiub, seperti yang berlaku dengan gelung semasa.

Kemudian arus aruhan dibuat yang menentang perubahan aliran. Tiub menghasilkan medan magnetnya sendiri untuk ini, yang, seperti yang telah kita ketahui, dikaitkan dengan arus aruhan. Katakan magnet dilepaskan dengan kutub selatan ke bawah, (Gambar 2d dan 5).

Rajah 5. Tiub Lenz. Sumber: F. Zapata.

Akibatnya, tiub menghasilkan medan magnetnya sendiri dengan kutub utara ke bawah dan tiang selatan ke atas, yang setara dengan membuat sepasang magnet palsu, satu di atas dan satu di bawah yang jatuh.

Konsep ini tercermin dalam gambar berikut, tetapi perlu diingat bahawa tiang magnet tidak dapat dipisahkan. Sekiranya magnet dummy bawah mempunyai kutub utara ke bawah, ia pasti akan disertai oleh tiang selatan ke atas.

Apabila lawan menarik dan lawan berlawanan, magnet yang jatuh akan dihalau, dan pada masa yang sama tertarik dengan magnet rekaan atas.

Kesan jaring akan sentiasa membrek walaupun magnet dilepaskan dengan kutub utara ke bawah.

Undang-undang Joule-Lenz

Undang-undang Joule-Lenz menerangkan bagaimana sebahagian tenaga yang berkaitan dengan arus elektrik yang beredar melalui konduktor hilang dalam bentuk haba, kesan yang digunakan pada pemanas elektrik, seterika, pengering rambut dan pembakar elektrik, antara peralatan lain.

Kesemuanya mempunyai unsur rintangan, filamen atau pemanasan yang memanas ketika arus berlalu.

Dalam bentuk matematik, biarkan R menjadi rintangan elemen pemanasan, I intensiti arus yang mengalir melaluinya, dan pada masa, jumlah haba yang dihasilkan oleh kesan Joule adalah:

Di mana Q diukur dalam joule (unit SI). James Joule dan Heinrich Lenz menemui kesan ini secara serentak sekitar tahun 1842.

Contoh

Berikut adalah tiga contoh penting di mana undang-undang Faraday-Lenz berlaku:

Penjana arus ulang-alik

Penjana arus ulang-alik mengubah tenaga mekanikal menjadi tenaga elektrik. Rasionalnya dijelaskan pada awalnya: gelung diputar di tengah medan magnet seragam, seperti yang dibuat di antara dua kutub elektromagnet besar. Apabila pusingan N digunakan, emf meningkat secara berkadar menjadi N.

Rajah 6. Penjana arus ulang-alik.

Semasa gelung berputar, vektor yang normal ke permukaannya berubah orientasinya sehubungan dengan medan, menghasilkan emf yang berubah secara sinusoidal mengikut masa. Andaikan bahawa frekuensi putaran sudut adalah ω, maka dengan menggantikan dalam persamaan yang diberikan pada awal, kita akan mempunyai:

Pengubah

Ini adalah peranti yang membolehkan mendapatkan voltan langsung dari voltan gantian. Transformer adalah sebahagian daripada banyak peranti, seperti pengecas telefon bimbit, misalnya, ia berfungsi seperti berikut:

Terdapat dua gegelung yang dililit di sekitar teras besi, yang satu disebut primer dan yang lain sekunder. Jumlah giliran masing-masing ialah N ₁ dan N ₂ .

Gegelung utama atau belitan disambungkan ke voltan bolak-balik (seperti soket elektrik isi rumah, misalnya) dalam bentuk V _P = V ₁ .cos ωt, menyebabkan arus bolak-balik frekuensi ω beredar di dalamnya.

Arus ini menyebabkan medan magnet yang seterusnya menyebabkan fluks magnet berayun pada gegelung kedua atau penggulungan, dengan voltan sekunder dari bentuk V _S = V ₂ .cos ωt.

Sekarang, ternyata medan magnet di dalam teras besi berkadaran dengan kebalikan dari bilangan putaran belitan utama:

Begitu juga dengan V _P , voltan pada belitan primer, sedangkan emf V _{S yang} diinduksi pada belitan kedua berkadar, seperti yang telah kita ketahui, dengan jumlah putaran N ₂ dan juga untuk V _P.

Oleh itu, menggabungkan perkadaran ini, kita mempunyai hubungan antara V _S dan V _P yang bergantung pada hasil antara bilangan putaran masing-masing, seperti berikut:

Rajah 7. Pengubah. Sumber: Wikimedia Commons. KundaliniZero

Pengesan logam

Mereka adalah alat yang digunakan di bank dan lapangan terbang untuk keselamatan. Mereka mengesan kehadiran logam, bukan hanya besi atau nikel. Mereka berfungsi berkat arus yang disebabkan, melalui penggunaan dua gegelung: pemancar dan penerima.

Arus bolak frekuensi tinggi disalurkan dalam gegelung pemancar, sehingga menghasilkan medan magnet bergantian di sepanjang paksi (lihat gambar), yang menyebabkan arus di gegelung penerima, sesuatu yang kurang lebih serupa dengan apa yang berlaku dengan pengubah.

Rajah 8. Prinsip operasi pengesan logam.

Sekiranya sekeping logam diletakkan di antara kedua gegelung, arus yang disebabkan oleh kecil muncul di dalamnya, yang disebut arus eddy (yang tidak dapat mengalir dalam penebat). Gegelung penerima bertindak balas terhadap medan magnet gegelung pemancar dan yang dihasilkan oleh arus eddy.

Arus Eddy cuba meminimumkan fluks medan magnet pada bahagian logam. Oleh itu, medan yang dirasakan oleh gegelung penerima berkurang apabila sekeping logam disisipkan di antara kedua gegelung. Apabila ini berlaku, penggera dipicu yang memberi amaran akan adanya logam.

Latihan

Latihan 1

Terdapat gegelung bulat dengan 250 putaran radius 5 cm, terletak tegak lurus dengan medan magnet 0.2 T. Tentukan emf yang diinduksi jika dalam selang waktu 0.1 s, magnitud medan magnet berganda dan menunjukkan arah arus, mengikut rajah berikut:

Rajah 9. Gelung bulat di tengah medan magnet seragam tegak lurus dengan satah gelung. Sumber: F. Zapata.

Penyelesaian

Mula-mula kita akan mengira besarnya emf yang diinduksi, maka arah arus yang bersangkutan akan ditunjukkan mengikut lukisan.

Oleh kerana medan telah berlipat ganda, begitu juga dengan fluks medan magnet, oleh itu arus aruhan dibuat dalam gelung yang menentang kenaikan tersebut.

Medan dalam gambar menunjukkan bahagian dalam skrin. Medan yang dibuat oleh arus yang diinduksi mesti meninggalkan layar, menerapkan aturan ibu jari kanan, maka arus yang disebabkan adalah berlawanan arah jarum jam.

Latihan 2

Lilitan persegi terdiri daripada 40 putaran 5 cm di setiap sisi, yang berputar dengan frekuensi 50 Hz di tengah-tengah medan seragam berukuran 0.1 T. Pada mulanya gegelung adalah tegak lurus ke medan. Apakah ungkapan untuk emf yang disebabkan?

Penyelesaian

Dari bahagian sebelumnya ungkapan ini disimpulkan:

Rujukan

1. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 6. Elektromagnetisme. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Hewitt, Paul. 2012. Sains Fizikal Berkonsep. 5hb. Ed. Pearson.
3. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Kolej OpenStax. Hukum Induksi Faraday: Hukum Lenz. Dipulihkan dari: opentextbc.ca.
5. Libreteks Fizik. Undang-undang Lenz. Dipulihkan dari: phys.libretexts.org.
6. Sears, F. (2009). Fizik Universiti Vol. 2.