Hukum formula Lenz, persamaan, aplikasi, contoh

Itu Hukum Lenz Ini menetapkan bahwa polaritas gaya elektromotor yang diinduksi dalam sirkuit tertutup, karena variasi dalam aliran medan magnet, sedemikian rupa sehingga menentang variasi aliran tersebut.

Tanda negatif yang dimasukkan ke dalam hukum Faraday, mempertimbangkan hukum Lenz, menjadi alasan mengapa itu disebut hukum Faraday-Lenz dan yang dinyatakan sebagai berikut:

Gambar 1. Kumparan toroidal mampu menginduksi arus di pengemudi lain. Sumber: Pixabay.

[TOC]

Rumus dan Persamaan

ε mewakili gaya elektromotor yang diinduksi, disingkat sebagai Fem, Φ Itu adalah aliran medan magnet dan T Sudah waktunya. Unit dalam Sistem Internasional (SI) untuk Fem Mereka adalah volt (v).

Untuk bagiannya aliran medan magnet Φ Ini didefinisikan oleh produk skalar berikut:

Banyak B sebagai N Mereka adalah magnitudo vektor dan dapat dilambangkan dengan tebal atau dengan panah pada surat itu. B Itu adalah vektor medan magnet dan N Itu adalah vektor unit (besarnya sama dengan 1) tegak lurus terhadap permukaan yang disebabkan oleh B.

Dalam persamaan yang ditunjukkan B Itu konstan dan unit untuk Φ Di SI untuk aliran medan magnet adalah Weber (W):

1 Weber = 1 Tesla. meter²

Cara lain untuk mengekspresikan Φ Itu yang diperoleh dengan menggunakan definisi produk skalar:

Φ = b.KE.cos θ

Dalam persamaan ini, B Ini adalah besarnya medan magnet (tanpa tebal atau panah, untuk membedakan vektor dari besarnya), a adalah luas permukaan yang dilintasi oleh medan dan θ adalah sudut antara vektor B Dan N.

Aliran medan magnet dapat bervariasi dengan cara yang berbeda dari waktu ke waktu, untuk membuat a Fem diinduksi dalam loop - sirkuit tertutup - area untuk. Misalnya:

-Membuat variabel medan magnet dari waktu ke waktu: B = B (T), Menjaga area dan sudut konstan, lalu:

-Area spase dapat bervariasi, membiarkan magnitudo lainnya konstan:

 -Sudut antara B Dan permukaannya bervariasi dengan rotasi spase, dengan cara ini generator sinusoidal diperoleh:

Lebih baik lagi jika daripada satu loop, nougas digunakan, dalam hal ini Fem Gandakan N kali:

 Tentu saja aliran medan magnet dapat bervariasi dengan kombinasi bentuk -bentuk ini, meskipun akan agak lebih rumit untuk dijelaskan.

Aplikasi

Penerapan langsung hukum Lenz adalah untuk menentukan arti dari Fem atau arus yang diinduksi tanpa perlu melakukan perhitungan apa pun. Pertimbangkan yang berikut: Anda memiliki loop di tengah medan magnet, seperti yang menghasilkan magnet bar.

Gambar 2. Penerapan Hukum Lenz. Sumber: Wikimedia Commons.

Jika magnet dan loop berada pada istirahat satu sehubungan dengan yang lain tidak ada yang terjadi, yaitu, tidak akan ada arus yang diinduksi, karena aliran medan magnet tetap konstan dalam kasus itu, (lihat Gambar 2A). Untuk menginduksi arus, perlu bahwa alirannya bervariasi.

Sekarang, jika ada gerakan relatif antara magnet dan spase, baik menggusur magnet ke arah spase, atau menuju magnet, akan ada arus yang diinduksi untuk diukur (Gambar 2b dan seterusnya).

Arus yang diinduksi ini pada gilirannya menghasilkan medan magnet, oleh karena itu kami akan memiliki dua bidang: yaitu magnet B₁ Biru dan yang terkait dengan arus yang dibuat dengan induksi B₂, berwarna oranye.

Penguasa ibu jari kanan memungkinkan Anda mengetahui arah B₂, Untuk melakukan ini, ibu jari tangan kanan ditempatkan ke arah dan arah yang dimiliki arus. Empat jari lainnya menunjukkan arah di mana medan magnet melengkung, menurut Gambar 2 (di bawah).

Dapat melayani Anda: cermin cembung

Pergerakan magnet melalui spase

Katakanlah magnet dijatuhkan ke arah loop dengan tiang utara yang diarahkan ke arahnya (Gambar 3). Garis medan magnet meninggalkan kutub utara dan memasuki tiang selatan. Jadi akan ada perubahan dalam φ, aliran yang dibuat oleh B₁ yang melintasi loop:Φ meningkat!  Oleh karena itu di loop medan magnet dibuat B₂ Dengan niat yang berlawanan.

Gambar 3. Magnet bergerak menuju loop dengan kutub utara untuknya. Sumber: Wikimedia Commons.

Arus yang diinduksi masuk akal bertentangan dengan jarum jam, -flechas merah pada Gambar 2 dan 3-, sesuai dengan aturan ibu jari kanan.

Mari kita pindahkan magnet spira dan kemudian miliknya Φ berkurang (Gambar 2C dan 4), oleh karena itu loop cepat membuat medan magnet di dalamnya B₂ Dengan cara yang sama, untuk mengimbangi. Oleh karena itu arus yang diinduksi adalah waktu, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Magnet menjauh dari loop, selalu dengan tiang utara menunjuk padanya. Sumber: Wikimedia Commons.

Menginvestasikan posisi magnet

Apa yang terjadi jika posisi magnet diinvestasikan? Jika kutub selatan menunjuk ke loop, lapangan menunjuk ke atas, karena garis B Dalam magnet mereka meninggalkan Kutub Utara dan memasuki Kutub Selatan (lihat Gambar 2D).

Segera hukum Lenz menginformasikan bahwa bidang vertikal ini, memicu ke arah loop, akan menginduksi bidang yang berlawanan dalam hal ini, artinya, B₂ turun dan arus yang diinduksi juga akan menjadi waktu.

Akhirnya dia menjauh dari magnet La Espira, selalu dengan tiang selatannya menunjuk ke bagian dalamnya. Lalu di dalam loop ada bidang B₂ Untuk berkontribusi pada penghapusan magnet tidak mengubah aliran medan di dalamnya. Banyak B₁ sebagai B₂ Mereka akan memiliki arti yang sama (lihat Gambar 2D).

Pembaca akan menyadari bahwa, seperti yang kami janjikan, tidak ada perhitungan yang dibuat untuk mengetahui arah arus yang diinduksi.

Eksperimen

Heinrich Lenz (1804-1865) melakukan banyak pekerjaan eksperimental sepanjang karier ilmiahnya. Yang paling terkenal adalah apa yang baru saja kami jelaskan, mendedikasikan diri mereka untuk mengukur kekuatan dan efek magnetik yang diciptakan dengan tiba -tiba menjatuhkan magnet di tengah -tengah loop. Dengan hasilnya, ia menyempurnakan pekerjaan yang dilakukan oleh Michael Faraday.

Tanda negatif dalam hukum Faraday ini ternyata menjadi percobaan yang paling diakui saat ini. Namun, Lenz melakukan banyak pekerjaan di geofisika selama masa mudanya dan sementara itu ia berdedikasi untuk menjatuhkan magnet di dalam belokan dan tabung. Dia juga mempelajari ketahanan listrik dan konduktivitas logam.

Secara khusus, pada efek peningkatan suhu dalam nilai resistansi. Dia terus mengamati bahwa ketika memanaskan kawat, resistensi mengurangi dan menghilangkan panas, sesuatu yang juga diamati oleh James Joule secara mandiri.

Untuk selamanya mengingat kontribusi mereka pada elektromagnetisme, selain hukum yang menyandang namanya, untuk induktansi (kumparan) mereka dilambangkan dengan huruf l.

Dapat melayani Anda: Teorema THévenin: Apa yang terdiri dari, aplikasi, dan contoh

Tabung Lenz

Ini adalah percobaan di mana ia ditunjukkan sebagai magnet berhenti ketika dilepaskan di dalam tabung tembaga. Magnet saat jatuh, menghasilkan variasi dalam aliran medan magnet di dalam tabung, seperti halnya dengan spiral daya.

Kemudian arus yang diinduksi dibuat yang menentang perubahan aliran. Tabung menciptakan medan magnetnya sendiri untuk ini, yang sudah kita ketahui, dikaitkan dengan arus yang diinduksi. Misalkan magnet dilepaskan dengan kutub selatan ke bawah, (2d dan 5).

Gambar 5. Tabung Lenz. Sumber: f. Zapata.

Akibatnya, tabung menciptakan medan magnetnya sendiri dengan kutub utara turun dan Kutub Selatan ke atas, yang setara dengan menciptakan beberapa magnet fiktif, satu di atas dan satu lagi di bawah orang yang jatuh.

Konsep ini diwujudkan dalam gambar berikut, tetapi perlu diingat bahwa kutub magnet tidak dapat dipisahkan. Jika magnet fiktif bawah memiliki tiang utara ke bawah, itu akan selalu menyertai selatan ke atas.

Saat kutub yang berlawanan menarik dan yang berlawanan mengusir, magnet yang jatuh akan ditolak, dan pada saat yang sama tertarik oleh magnet fiktif atas.

Efek bersih akan selalu mengerem bahkan jika magnet dilepaskan dengan kutub utara ke bawah.

Hukum Joule-Lenz

Hukum Joule-Lenz menggambarkan sebagai bagian dari energi yang terkait dengan arus listrik yang bersirkulasi oleh pengemudi hilang dalam bentuk panas, efek yang digunakan dalam pemanas listrik, pelat, pengering rambut dan kompor listrik, di antara peralatan lainnya.

Semuanya memiliki resistensi, filamen atau elemen pemanas yang memanaskan hingga lewatnya arus.

Dalam bentuk matematika, baik itu R Resistensi elemen pemanas, yo intensitas arus yang beredar melalui itu dan T Waktu, jumlah panas yang dihasilkan oleh efek Joule adalah:

Q = i². R. T

Di mana Q Diukur dalam joule (unit SI). James Joule dan Heinrich Lenz menemukan efek ini secara bersamaan sekitar tahun 1842.

Contoh

Di bawah ini kami menunjukkan tiga contoh penting di mana hukum Faraday-Lenz diterapkan:

Generator saat ini bergantian

Generator arus yang bergantian mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Fondasi dijelaskan pada awalnya: Loop diputar di tengah medan magnet yang seragam, seperti yang dibuat antara dua kutub elektromagnet yang hebat. Saat digunakan N spiral, the Fem meningkat secara proporsional N.

Gambar 6. Generator arus bergantian.

Saat loop diputar, vektor normal ke permukaannya mengubah orientasinya sehubungan dengan lapangan, menghasilkan a Fem yang bervariasi secara sinusoidal seiring waktu. Misalkan frekuensi sudut rotasi Ω, Kemudian ketika mengganti dalam persamaan yang terjadi di awal, itu akan menjadi:

Transformator

Ini adalah perangkat yang memungkinkan Anda mendapatkan tegangan langsung dari tegangan alternatif. Transformator adalah bagian dari perangkat yang tak terhitung banyaknya, seperti pengisi daya ponsel, misalnya.Ini bekerja dengan cara berikut:

Ada dua kumparan yang digulung di sekitar inti besi, satu disebut utama Dan lainnya sekunder.  Jumlah putaran masing -masing adalah n₁ dan N₂.

Kumparan primer atau belitan terhubung ke tegangan alternatif (seperti listrik buatan sendiri, misalnya) dari formulir V_P = V₁.cos ωt, menyebabkan arus frekuensi bergantian beredar Ω.

Arus ini berasal dari medan magnet yang pada gilirannya menyebabkan fluks magnet yang berosilasi di kumparan kedua atau belitan, dengan tegangan sekunder dari bentuk V_S = V₂.cos ωt.

Namun, ternyata medan magnet di dalam nukleus besi sebanding dengan kebalikan dari jumlah putaran belitan primer:

Itu dapat melayani Anda: 13 contoh hukum kedua Newton dalam kehidupan sehari -hari

B ∝ 1 /n₁

Dan itu akan terjadi V_P, tegangan pada belitan primer, sedangkan Fem diinduksi V_S Dalam belitan kedua itu proporsional, seperti yang kita tahu, dengan jumlah belokan n₂ dan juga untuk V_P.

Jadi menggabungkan proporsionalitas ini ada hubungan antara V_S Dan V_P yang tergantung pada hasil bagi antara jumlah belokan masing -masing, sebagai berikut:

V_S = (N₂ /N₁) V_P

Gambar 7. Transformator. Sumber: Wikimedia Commons. Kundalinizero [cc by-sa 3.0 (http: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0/]]

Detektor logam

Mereka adalah perangkat yang digunakan di bank dan bandara keselamatan. Mereka mendeteksi keberadaan logam apa pun, tidak hanya besi atau nikel. Mereka bekerja berkat arus yang diinduksi, melalui penggunaan dua kumparan: satu pemancar dan penerima lainnya.

Arus frekuensi tinggi bergantian dilewatkan dalam koil transmisi, sehingga menghasilkan medan magnet alternatif di sepanjang sumbu (lihat gambar), yang menginduksi arus dalam koil penerima, sesuatu yang lebih atau kurang mirip dengan apa yang terjadi dengan transformator.

Angka 8. Prinsip Operasi Detektor Logam.

Jika sepotong logam ditempatkan di antara kedua kumparan, arus yang diinduksi kecil muncul di dalamnya, yang disebut arus foucault (yang tidak dapat mengalir dalam isolator). Koil penerima merespons medan magnet dari koil transmisi dan yang dibuat oleh arus Foucault.

Arus foucault mencoba meminimalkan aliran medan magnet dalam bagian logam. Oleh karena itu bidang yang merasakan koil penerima, berkurang saat menginterposisi bagian logam di antara kedua kumparan. Saat ini terjadi alarm yang memperingatkan keberadaan logam.

Latihan

Latihan 1

Ada koil melingkar dengan 250 perusahaan dengan radius 5 cm, terletak tegak lurus terhadap medan magnet 0.2 t. Tentukan Fem diinduksi jika dalam interval waktu 0.1 detik, medan magnet magnet berlipat ganda dan menunjukkan makna arus, sesuai dengan gambar berikut:

Gambar 9. Spira melingkar di tengah medan magnet yang seragam tegak lurus terhadap bidang spase. Sumber: f. Zapata.

Larutan

Pertama kita akan menghitung besarnya FEM yang diinduksi, maka arti arus yang terkait akan ditunjukkan sesuai dengan gambar.

N = 250 putaran

A = π. R² = p . (5 x 10^-2 M)² = 0.0079 m².

cos θ = cos 0 = 1 (Vektor N Itu membutuhkan paralel B)

Saat medan magnet menggandakan besarnya, Anda memiliki:

Mengganti nilai -nilai ini dalam persamaan untuk besarnya Fem Diinduksi:

ε = 250. 0.0079 m² . 2 t/s = 3.95 v

Karena medan telah berlipat ganda, demikian juga aliran medan magnet, oleh karena itu dalam loop arus yang diinduksi dibuat sehingga menentang peningkatan tersebut.

Bidang pada gambar menunjuk ke layar. Bidang yang dibuat oleh arus yang diinduksi harus meninggalkan layar, menerapkan aturan jempol kanan, mengikuti bahwa arus yang diinduksi adalah anti -salhorary.

Latihan 2

Sebuah belitan persegi terdiri dari 40 putaran sisi 5 cm, yang berubah 50 Hz sering di tengah bidang seragam sebesar 0.1 t. Awalnya kumparan tegak lurus terhadap lapangan. Apa yang akan menjadi ekspresi untuk Fem diinduksi?

Larutan

Dari bagian sebelumnya, ungkapan ini disimpulkan:

ε = n.B.KE. Ω. sin ΩT

A = (5 x 10^-2 M)² = 0.0025 m²

N = 40 spiral

Ω = 2π.F = 2π.50 Hz = 100P S^-1

B = 0.1 t

ε = 40 x 0.1 x 0.0025 x 100π  x sen 50.t =P . Sen 100π.t v

Referensi

1. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 6. Elektromagnetisme. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Hewitt, Paul. 2012. Ilmu Fisik Konseptual. Ke -5. Ed. Pearson.
3. Knight, r.  2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. OpenX College. Hukum Induksi Faraday: Hukum Lenz. Diperoleh dari: OpenTextBC.Ac.
5. Libretteks Fisika. Hukum Lenz. Pulih dari: Phys.Librettexts.org.
6. Sears, f. (2009). Fisika Universitas Vol. 2.