Lenzi reegel

Kes oli Heinrich Friedrich Emil Lenz?

Heinrich Friedrich Emil Lenz oli 19. sajandi silmapaistev füüsik, sündinud 12. veebruaril 1804 Dorpatis, tollal Venemaa Keisririigi osa (tänapäeval Tartu, Eesti). Tuntud oma pedantse ja metoodilise tööviisi poolest, andis Lenz olulise panuse elektromagnetteooria arengusse, eeskätt oma eksperimentaalsete uurimuste kaudu valdkonnas Elektrodünaamika. Lisaks teadustööle tegutses Lenz ka akadeemilise õppejõuna ning kujundas oma õpetamisega Peterburi ülikoolis mitme põlvkonna füüsikuid, mistõttu ulatus tema mõju teadusele kaugemale tema enda uurimistest.

Lentzi reegel lihtsustatult selgitatud

Lentzi reegli kohaselt voolab indutseeritud vool juhis alati sellises suunas, et tema enda magnetväli toimib selle tekkepõhjusele vastassuunaliselt. Teisisõnu: elektromagnetilise induktsiooni teel tekkiv vool tekitab magnetvälja, mis toimib vastu algse magnetvälja muutusele, mis selle voolu indutseeris (vt joonis).

Süsteem toimib nii, et see püüab minimeerida muutust, mis indutseeritud voolu esile kutsub. Lentzi reegli saab tuletada energia jäävuse seadusest. Nii tuleb teha tööd, et liigutada juhti siiski magnetväljas, ja see töö tekitab juhis voolu. Lentzi reegel on otsustava tähtsusega elektromagnetilise induktsiooni mõistmisel ja rakendamisel paljudes tehnoloogilistes rakendustes, näiteks generaatorites, trafodes, induktsioonmootorites ja muudes elektromagnetseadmetes. See seletab ka nähtusi, nagu pöörisvoolupidur, mille puhul metallis tekkivate pöörisvoolude abil kasutatakse nende voolude tekitatud magnetvälja liikumise summutamiseks.

Millal kehtib Lenzi reegel?

Lenzi reegel rakendub alati siis, kui toimub elektromagnetiline induktsioon. See juhtub omakorda alati siis, kui muutub magnetvoog \(Φ\), mis läbib juhi pinda A. magnetiline vootihedus on seejuures voog pindalaühiku kohta

\(B = Φ/A\).

Induktsioon tekib siis, kui juhid liiguvad magnetväljades, näiteks kui juhtmesilmused pöörlevad magnetväljades (nagu generaatorites) või kui magnetvälju juhtide ümber sihipäraselt muudetakse (moduleeritakse), nagu elektrimootorites.

Kõigil neil juhtudel toimib elektromagnetilise induktsiooni teel tekkinud vool nii, et tema enda magnetväli püüab pidurdada algset magnetvälja muutust, mis voolu esile kutsus.

Matemaatilised valemid

Elektrodünaamika ja füüsikas üldiselt on mõned võtmevalemid, mis on Lenz’i reegli ja elektromagnetilise induktsiooni mõistmiseks ning rakendamiseks olulised:

Magnetiline vootihedus B tuleneb magnetilisest voost \(Φ_{B}\) pinna A kaudu vastavalt valemile \(Φ_{B} = B · A ·cosΘ \), kus \(Θ\) kirjeldab nurka magnetilise voo ja pinna normaali (risti) vahel.

Lähtekohaks on Faraday induktsiooniseadus:

\(U_{EMK}=-\frac{ΔΦ_B}{Δt}\)

See kirjeldab indutseeritud elektromotoorjõudu kui pinget \(U_{EMK}\), mis tekib elektromagnetilise voo \(∆ Φ_{B}\) muutumisel juhtursisese rõnga kaudu ajavahemiku \(∆ t\) jooksul. Sellest järeldub mähises induktiivsusega L ja voolu \(∆ I\) muutumisel aja \(∆ t\) jooksul indutseeritud pinge (nimetatakse ka iseeneseinduktsiooniks) vastavalt valemile

\(U=-L\frac{∆ I}{∆ t}\)

Juhtis voolu kandevale juhile magnetväljas mõjuv jõud, nn Lorentzi jõud (vt joonis), arvutatakse tuntud valemi järgi

\(F=-I·l·B sin Θ\)

Kus \(I\) tähistab voolu, \(l\) juhi pikkust ja \(Θ\) nurka juhi ja B-välja vahel.

Lenzie reegli ehk induktsiooniefekti tehnilised rakendused

Lenzie reeglit kasutatakse paljudes füüsika ja tehnika valdkondades, kus elektromagnetiline induktsioon mängib rolli. Mõned olulised näited Lenzie reegli kohta on:

Elektrigeneraatorid: Generaatorites muundatakse mehaaniline energia elektrienergiaks. Lenzie reegel selgitab, kuidas juhi liikumine läbi magnetvälja indutseerib voolu, mille enda magnetväli töötab algsele liikumisele vastu. Seetõttu tuleb generaatori pöörlemisel magnetväljas teha tööd, mis muudetakse seejärel kasutuskõlblikuks elektrivooluks.

Trafo: Trafodes kasutatakse Lenzi seadust vahelduvpinge ülekandmiseks ühest vooluringist teise, kusjuures pinge suurust saab muuta, kui kahes eri vooluringis paiknevad erineva pöördetearvuga poolid teineteisele vastakuti. Primaarmähis tekitab magnetvälja, mis indutseerib sekundaarmähises kohandatud pingega voolu.

Elektrimootorid: Elektrimootorites tekitab elektromagnetilise induktsiooni abil kujunev vastujõud pöördemomendi, mis käitab mootorit.

Induktiivandurid või metallidetektorid: Need andurid kasutavad Lenzi reeglit metallide olemasolu tuvastamiseks, mõõtes muutusi indutseeritud voolus.

Pöörisvoolupidurid: Nendes pidurites indutseeritakse pöörisvoolud, kui metallosa liigub magnetväljas. Lenzi reegel selgitab, kuidas nende voolude magnetväli mõjub algsele liikumisele vastassuunas ja tekitab seeläbi pidurdusjõu.

Induktsioonpliidid: Kiiresti muutuv magnetväli indutseerib metallist keedunõudes pöörisvoolud, mis tekitavad soojust.

Juhtmevabad energiaedastussüsteemid: Need süsteemid kasutavad elektromagnetilist induktsiooni, et edastada energiat vahemaa taha, kusjuures Lenzi reegel mõjutab ülekande tõhusust ja disaini.