Heinrich Lenz (noto anche come Emil Lenz) era un fisico baltico-tedesco che potrebbe non avere la fama di alcuni dei suoi colleghi dell'inizio del XIX secolo come Michael Faraday, ma che contribuì ancora a fornire un pezzo chiave per risolvere i misteri dell'elettromagnetismo.

Mentre alcuni dei suoi colleghi stavano facendo scoperte simili, il nome di Lenz è stato dato alla legge di Lenz in gran parte a causa della sua scrupolosa documentazione, esperimenti e una dedizione al metodo scientifico non comune per l'epoca. La legge stessa costituisce una parte importante della legge di induzione elettromagnetica di Faraday, e specifica nello specifico la direzione
in cui scorre la corrente indotta.

La legge potrebbe essere difficile da far girare la testa per prima cosa, ma una volta capito il concetto chiave, sarai sulla buona strada per una comprensione molto più profonda dell'elettromagnetismo, inclusi problemi pratici come il problema delle correnti parassite.
Legge di Faraday

Legge di Faraday di l'induzione afferma che la forza elettromotrice indotta
(EMF, comunemente indicata come "tensione") in una bobina di filo (o semplicemente, attorno a un anello) è meno la velocità di variazione del flusso magnetico attraverso quel circuito. Matematicamente, e sostituendo la derivata con un semplice "cambio in" (rappresentato da ∆), la legge afferma:
\\ text {EMF indotto} \u003d −N \\ frac {∆ϕ} {∆t}

Where < em> t
è il tempo, N
è il numero di giri nella bobina del filo e phi (ϕ) è il flusso magnetico. La definizione di flusso magnetico è piuttosto importante per questa equazione, quindi vale la pena ricordare che è:
ϕ \u003d \\ bm {B ∙ A} \u003d BA \\ cos (θ)

che mette in relazione la forza del campo magnetico, B
, nell'area del loop A
e l'angolo tra il loop e il campo ( θ
), con l'angolo del loop definito come perpendicolare al area (es. puntando direttamente fuori dal ciclo). Poiché l'equazione coinvolge cos, è al valore massimo quando il campo è direttamente allineato con il loop, e a 0 quando è perpendicolare al loop (cioè "side-on").

Presi insieme, questi le equazioni mostrano che è possibile creare un EMF in una bobina di filo modificando l'area della sezione trasversale A
, l'intensità del campo magnetico B
o l'angolo tra l'area e il campo magnetico. L'entità dell'EMF indotta è direttamente proporzionale al tasso di variazione di queste quantità e, naturalmente, non deve essere solo uno di questi cambiamenti per indurre l'EMF.

È stata utilizzata la legge di Faraday di James Clerk Maxwell come una delle sue quattro leggi dell'elettromagnetismo, sebbene di solito sia espressa come l'integrale di linea del campo magnetico attorno a un circuito chiuso (che è essenzialmente un altro modo di dire l'EMF indotto) e il tasso di cambiamento è espresso come un derivato.
Legge di Lenz

La legge di Lenz è incapsulata nella legge di Faraday perché ci dice la direzione in cui scorre la corrente elettrica indotta. Il modo più semplice per affermare la legge di Lenz è che i cambiamenti nel flusso magnetico inducono le correnti in una direzione che si oppone al cambiamento che l'ha causata.

In altre parole, perché quando la corrente scorre genera il proprio campo magnetico, la direzione di la corrente indotta è tale che il nuovo campo magnetico è in una direzione opposta ai cambiamenti di flusso che lo hanno creato. È incapsulato nella legge di Faraday a causa del segno negativo; questo ti dice che l'EMF indotto si oppone al cambiamento originale del flusso magnetico.

Per un semplice esempio, immagina una bobina di filo con un campo magnetico esterno che punta direttamente al suo interno dal lato destro (cioè, nel centro della bobina e con le linee di campo che puntano a sinistra), e il campo esterno aumentando di magnitudo ma mantenendo la stessa direzione. In questo caso, la corrente indotta nel filo scorrerà in modo da produrre un campo magnetico che punta fuori dalla bobina verso destra.

Se invece il campo esterno diminuisse di magnitudine, la corrente indotta fluirà in modo tale che per produrre un campo magnetico nella stessa direzione del campo originale, perché contrasta i cambiamenti di flusso
piuttosto che semplicemente contrastare il campo. Dal momento che contrasta il cambiamento e non necessariamente la direzione, ciò significa che a volte crea un campo nella direzione opposta e talvolta nella stessa direzione.

Puoi usare la regola della mano destra (a volte chiamata la mano destra regola di presa per distinguerla dall'altra regola di destra usata in fisica) per determinare la direzione della corrente elettrica risultante. La regola è abbastanza facile da applicare: calcola la direzione del campo magnetico creato dalla corrente indotta e punta il pollice della mano destra in quella direzione, quindi arriccia le dita verso l'interno. La direzione in cui si arricciano le dita è la direzione in cui scorre la corrente attraverso la bobina del filo.
Esempi della legge di Lenz

Alcuni esempi concreti di come la legge di Lenz funziona nella pratica aiuteranno a cementare i concetti e il più semplice è molto simile all'esempio sopra: una bobina di filo che si muove dentro o fuori da un campo magnetico. Man mano che l'anello si sposta nel campo, il flusso magnetico attraverso l'anello aumenterà (nella direzione opposta al movimento della bobina), inducendo una corrente che si oppone alla velocità di variazione del flusso e quindi crea un campo magnetico nella direzione del suo movimento.

Se la bobina si sta muovendo verso di te, la regola della mano destra e la legge di Lenz mostrano che la corrente fluirebbe in senso antiorario. Se la bobina si stesse muovendo fuori dal campo, il cambiamento del flusso magnetico sarebbe sostanzialmente una riduzione graduale anziché un aumento, quindi la corrente opposta esatta sarebbe indotta.

Questa situazione è analoga spostare un magnete a barra dentro o fuori dal centro di una bobina, perché quando si sposta il magnete dentro, il campo diventerebbe più forte e il campo magnetico indotto funzionerebbe per contrastare il movimento del magnete, quindi, in senso antiorario dal prospettiva del magnete. Quando si sposta fuori dal centro della bobina del filo, il flusso magnetico diminuisce e il campo magnetico indotto funzionerebbe nuovamente per contrastare il movimento del magnete, questa volta in senso orario dalla prospettiva del magnete.

Un esempio più complicato riguarda una bobina di filo che ruota in un campo magnetico fisso, perché quando l'angolo cambia, anche il flusso attraverso l'anello. Durante la diminuzione del flusso, la corrente elettrica indotta creerebbe un campo magnetico per contrastare i cambiamenti di flusso, quindi sarebbe nella stessa direzione del campo esterno. Durante l'aumento del flusso, accade il contrario e la corrente viene indotta a contrastare l'aumento del flusso magnetico, quindi nella direzione opposta al campo esterno. Questo genera una tensione alternata (perché l'EMF indotto cambia ogni volta che il loop ruota di 180 gradi) e può essere usato per generare corrente alternata.
Legge di Lenz e correnti parassite

Una corrente parassita è il nome per le piccole correnti elettriche che obbediscono alla legge di Lenz. In particolare, tuttavia, questo nome viene utilizzato in riferimento a piccole correnti di loop in conduttori analoghi ai vortici che vedi intorno ai remi quando remi in acqua.

Quando un conduttore viene spostato attraverso un campo magnetico - per ad esempio, come un pendolo di metallo che oscilla tra i poli di un magnete a ferro di cavallo - vengono indotte correnti parassite, e in linea con la legge di Lenz, queste contrastano l'effetto del movimento. Questo porta allo smorzamento magnetico (poiché il campo indotto lavora necessariamente contro il movimento che lo ha creato), che può essere utilizzato in modo produttivo in cose come i sistemi di frenatura magnetica per le montagne russe, ma è una causa di spreco di energia per dispositivi come generatori e trasformatori.

Quando è necessario ridurre le correnti parassite, il conduttore è separato in più sezioni da sottili strati isolanti, che limitano le dimensioni delle correnti parassite e riducono la perdita di energia. Tuttavia, poiché le correnti parassite sono una conseguenza necessaria delle leggi di Faraday e di Lenz, non possono essere completamente evitate.