楞[léng]次定律(Lenz's Law)是一條電磁學的定律,可以用來判斷由電磁感應而產生的電動勢的方向。楞次定律可表述為:感應電流的效果,總是反抗引起感應電流的原因。
楞次定律可分為四種類型,分別是增反減同、來拒去留、增縮減擴和自感現象。楞次定律是能量守恒定律在電磁感應現象中的具體體現。
1834年,俄羅斯物理學家海因里?!だ愦?/a>(H.F.E.Lenz,1804-1865)在概括了大量實驗事實的基礎上,總結出一條判斷感應電流方向的規律,稱為楞次定律。
定義
楞次定律有兩種表述方法,一是可表述為:感應電流的效果,總是反抗引起感應電流的原因。感應電流是指在電磁感應現象里回路中產生的電流。磁通量是指通過任意曲面的磁感線數目。在法拉第電磁感應定律中,即電路中感應電動勢的大小,和穿過電路的磁通量的變化率成正比。其數學表達式為:
i=-
其中i表示感應電動勢,為磁通量,負號是楞次定律的數學表達,用來確定電動勢的方向。
這里的“原因”是指在固定回路中,由于磁場變化導致的磁通量變化,或者是指部分導體運動引起的磁通量變化,亦或者是兩者兼而有之。也就是說,感應電流阻礙通過回路的磁通量的變化。
本質
能量既不能被創造也不能被消滅,在一個封閉系統中,能量的總量總是保持不變的,這就是能量守恒定律。而楞次定律的本質是能量守恒定律在電磁感應現象中的具體體現,即感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。根據楞次定律,感應電流的磁場是阻礙原磁場磁通量的變化的,那就必須要克服這個障礙作用而作功,也就需要消耗能量,這個消耗的能量就是感應電流能量的來源。若認為感應電流方向的效果不是阻止磁棒的運動而是促進其運動,也就是和楞次定律相反,外界不做功而獲得了機械能和電能,這顯然與能量守恒定律相悖。
類型
增反減同
當閉合回路中原磁通量量增加時,感應電流的磁通要反抗原磁通量的增加,與原磁通量方向相反;當原磁通量減少時,感應電流的磁通要反抗原磁通量的減少,與原磁通量方向相同。
來拒去留
感應電流阻礙相對運動,原磁場靠近閉合回路 (線圈)時,感應電流的磁場要拒之;原磁場遠離回路(線圈)時,感應電流的磁場要留之。
增縮減擴
閉合回路中原磁通量增大時,閉合回路的面積有收縮的趨勢;原磁通量減少時,閉合回路面積有擴大的趨勢。
自感現象
自感現象是指回路自身的原電流發生變化而引起的電磁感應現象。由于感應電流和原電流在同一電路中,因此感應電流的方向總會阻礙原電流變化,即線圈中原電流增加,在線圈中自感電流的方向與原電流方向相反;反之,則相同。
判斷方法
運用楞次定律確定感應電流或感應電動勢的方向,可采用以下步驟:
(1)判斷穿過閉合回路的原磁場的方向。
(2)判斷磁通量的變換趨勢,增加還是減少。
(3)判斷感應電流產生的感應磁場的方向。
(4)根據右手法則,由感應磁場的方向確定感應電流的方向。
簡史
從1822年起,英國科學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)就磁能不能產生電這個問題進行了一系列的實驗研究,直到在1831年發現了電磁感應現象。
1832年,俄羅斯物理學家海因里?!だ愦?/a>(Heinrich Friedrich Lenz,1804—1865)在得知法拉第發現電磁感應現象后,立即重復了法拉第等人的一系列實驗,同時自己又做了許多新的實驗。
1833年,楞次發表了文章《論電磁感應引起的電流方向的決定》,提出了確定感應電流的方向的一般原則。也就是:“如果一個金屬導體在電流或磁鐵附近運動,其所產生的感應電流的方向是這樣決定的,感應電流在磁場中受到的作用力與導線的運動方向相反?!?/p>
1834年,楞次發表楞次定律時無磁通量這一概念(磁通量概念是韋伯提出來的),因此定律不可能具有今天的表述形式。楞次研究了在閉合回路中變化磁場產生的感應電流的方向,他指出:通過某一回路的磁通量的變化會在該回路中產生感應電流,這個電流將采取這樣的方向—它所產生的磁場將力圖使通過該回路的磁通量恢復到變化前的狀態。這個結論稱為楞次定律。
應用領域
感應發電
楞次定律被廣泛應用在發電機等發電設備中。按照能量轉換,當旋轉的閉合線圈在磁場中切割磁感線產生的感應電流時,根據楞次定律,這時該線圈在磁場中的轉動要受到一個阻礙作用,若想使線圈能在磁場中不停地勻速轉動,就必須消耗其他形式的能量來反抗這個阻礙作用作功。發電機的原理是把機器供給的機械能轉換成電能。
感應加熱
感應加熱的原理是利用楞次定律,也就是磁場頻率的變化導致磁通量不斷地在物體中發生變化,從而在物體內部產生感應電流,感應電流進一步轉化為熱能,使物體表面溫度升高。感應加熱的設備多種多樣,但基本原理都是如此。感應加熱技術在金屬的熔煉、焊接、表面火等金屬熱處理中得到廣泛的應用。
研究意義
楞次定律揭示了電磁感應現象的物理本質,也就是磁場的變化引起電場的變化,從而誘導感應電流。它的發現將電流和磁場聯系在一起,補充和完善了電磁學理論。同時,楞次定律的研究為電能的轉換和利用提供了指導。根據楞次定律,通過改變磁場誘導電流生成,并可把電能轉換為熱能,這種轉換和傳輸的技術可廣泛應用在發電設備和各種感應器中,例如感應加熱、感應焊接等,這些技術的發展不僅提高了生產效率,還改善了產品質量。
相似理論
勒夏特列原理
勒夏特列原理(Le Chatelier's principle),也稱平衡移動原理,是化學中的一個重要原理。該原理指出,在一個處于平衡狀態的系統中,受到濃度、壓強及溫度等條件的影響時,化學平衡就會向能夠減弱這種改變的方向移動。需要注意的是,該原理不適用于非平衡體系。
參考資料 >