ĐỊNH LUẬT LENZ: CÔNG THỨC, PHƯƠNG TRÌNH, ỨNG DỤNG, VÍ DỤ - VẬT LÝ - 2026

Các Lenz của pháp luật quốc gia mà sự phân cực của lực điện cảm ứng trong một mạch kín do sự thay đổi trong thông lượng từ trường là như vậy mà chống lại sự thay đổi trong dòng chảy nói.

Dấu âm đứng trước định luật Faraday xem xét định luật Lenz, là lý do tại sao nó được gọi là định luật Faraday-Lenz và được biểu thị như sau:

Hình 1. Một cuộn dây hình xuyến có khả năng tạo ra dòng điện trong các vật dẫn khác. Nguồn: Pixabay.

Công thức và phương trình

Trong phương trình này, B là độ lớn của từ trường (không in đậm hoặc mũi tên, để phân biệt vectơ với độ lớn của nó), A là diện tích của bề mặt cắt ngang bởi trường và θ là góc giữa vectơ B và n .

Từ thông có thể thay đổi theo nhiều cách khác nhau theo thời gian, để tạo ra cảm ứng suất trong một mạch vòng - một mạch kín - có diện tích A. Ví dụ:

-Làm cho từ trường biến thiên theo thời gian: B = B (t), giữ nguyên diện tích và góc không đổi thì:

Các ứng dụng

Ứng dụng ngay lập tức của định luật Lenz là xác định hướng của emf hoặc dòng điện cảm ứng mà không cần bất kỳ phép tính nào. Hãy xem xét những điều sau: bạn có một vòng dây ở giữa một từ trường, chẳng hạn như vòng dây được tạo ra bởi một nam châm thanh.

Hình 2. Ứng dụng của Định luật Lenz. Nguồn: Wikimedia Commons.

Nếu nam châm và vòng dây nằm yên so với nhau thì không có gì xảy ra, nghĩa là sẽ không có dòng điện cảm ứng, vì từ thông của từ trường không đổi trong trường hợp đó (xem hình 2a). Để có dòng điện cảm ứng, từ thông phải thay đổi.

Bây giờ, nếu có một chuyển động tương đối giữa nam châm và vòng dây, bằng cách di chuyển nam châm về phía vòng dây hoặc về phía nam châm, sẽ có dòng điện cảm ứng để đo (Hình 2b trở đi).

Lần lượt dòng điện cảm ứng này tạo ra một từ trường, do đó ta sẽ có hai trường: nam châm B ₁ màu xanh lam và trường liên kết với dòng điện tạo bởi cảm ứng B ₂ , màu cam.

Quy tắc ngón tay cái bên phải cho phép biết chiều của B ₂ , đối với điều này ngón cái của bàn tay phải được đặt theo phương và chiều của dòng điện. Bốn ngón tay còn lại cho biết hướng mà từ trường uốn cong, theo hình 2 (bên dưới).

Chuyển động nam châm qua vòng lặp

Giả sử nam châm được thả về phía vòng dây với cực bắc của nó hướng về phía nó (hình 3). Đường sức của nam châm rời khỏi cực bắc N và đi vào cực nam S. Khi đó sẽ có sự thay đổi trong Φ, từ thông tạo bởi B ₁ qua vòng dây: Φ tăng lên! Do đó trong vòng dây một từ trường B _{2 được tạo ra} với ý định ngược lại.

Hình 3. Nam châm chuyển động về phía vòng dây với cực bắc của nó về phía nó. Nguồn: Wikimedia Commons.

Dòng điện cảm ứng chạy ngược chiều kim đồng hồ, mũi tên có hình 2 và 3, theo quy tắc ngón tay cái bên phải.

Hãy di chuyển nam châm ra khỏi vòng dây và khi đó Φ của nó giảm (hình 2c và 4), do đó vòng dây lao tới tạo ra một từ trường B ₂ cùng chiều, để bù lại. Do đó, dòng điện cảm ứng là giờ, như hình 4.

Hình 4. Nam châm chuyển động ra khỏi vòng dây, luôn luôn hướng về cực bắc của nó. Nguồn: Wikimedia Commons.

Đảo ngược vị trí của nam châm

Điều gì xảy ra nếu vị trí của nam châm bị đảo ngược? Nếu cực nam hướng về phía đường vòng, trường hướng lên trên, vì các đường sức của B trong nam châm rời khỏi cực bắc và đi vào cực nam (xem hình 2d).

Ngay lập tức định luật Lenz thông báo rằng trường thẳng đứng này hướng lên, lao về phía vòng lặp, sẽ tạo ra trong nó một trường ngược chiều, tức là B ₂ hướng xuống và dòng điện cảm ứng cũng sẽ là giờ.

Cuối cùng nam châm di chuyển ra khỏi vòng lặp, luôn luôn với cực nam của nó hướng vào bên trong của nó. Sau đó, một trường B ₂ được tạo ra bên trong vòng lặp để giúp đảm bảo rằng việc di chuyển ra khỏi nam châm không làm thay đổi từ thông trường trong nó. Cả B ₁ và B ₂ sẽ có cùng ý nghĩa (xem hình 2d).

Người đọc sẽ nhận ra rằng, như đã hứa, không có phép tính nào được thực hiện để biết chiều của dòng điện cảm ứng.

Thí nghiệm

Heinrich Lenz (1804-1865) đã thực hiện nhiều công trình thử nghiệm trong suốt sự nghiệp khoa học của mình. Phương pháp được biết đến nhiều nhất là những thứ chúng ta vừa mô tả, chuyên dùng để đo các lực từ và hiệu ứng tạo ra bằng cách thả đột ngột một nam châm vào giữa một vòng dây. Với kết quả của mình, ông đã hoàn thiện công việc của Michael Faraday.

Dấu hiệu tiêu cực đó trong định luật Faraday hóa ra lại là thí nghiệm mà ông được công nhận rộng rãi nhất hiện nay. Tuy nhiên, Lenz đã làm rất nhiều công việc trong lĩnh vực địa vật lý thời trẻ, trong khi đó, ông đã tham gia thả nam châm vào cuộn dây và ống. Ông cũng thực hiện các nghiên cứu về điện trở và độ dẫn điện của kim loại.

Đặc biệt, ảnh hưởng của sự gia tăng nhiệt độ đến giá trị điện trở. Ông đã không nhận thấy rằng khi một dây dẫn bị đốt nóng, điện trở giảm và nhiệt bị tiêu tán, điều mà James Joule cũng đã quan sát một cách độc lập.

Để mãi mãi ghi nhớ những đóng góp của ông trong ngành điện từ học, ngoài định luật mang tên ông, cuộn cảm (cuộn dây) được ký hiệu bằng chữ L.

Ống Lenz

Đây là một thí nghiệm trong đó nó được chứng minh làm thế nào một nam châm chậm lại khi nó được thả vào một ống đồng. Khi nam châm rơi xuống, nó tạo ra các biến đổi trong từ thông bên trong ống, như xảy ra với vòng dòng.

Sau đó, một dòng điện cảm ứng được tạo ra chống lại sự thay đổi của dòng chảy. Ống tạo ra từ trường riêng của nó, như chúng ta đã biết, được liên kết với dòng điện cảm ứng. Giả sử nam châm được thả với cực nam hướng xuống, (Hình 2d và 5).

Hình 5. Ống của Lenz. Nguồn: F. Zapata.

Kết quả là, ống tạo ra từ trường riêng với một cực bắc hướng xuống và một cực nam hướng lên, tương đương với việc tạo ra một cặp nam châm giả, một nam châm ở trên và một nam châm ở dưới.

Khái niệm này được phản ánh trong hình sau, nhưng cần nhớ rằng các cực từ là không thể tách rời. Nếu nam châm giả thấp hơn có một cực bắc hướng xuống, nó nhất thiết sẽ đi kèm với một cực nam hướng lên.

Khi các mặt đối lập hút và đối lập đẩy nhau, nam châm rơi sẽ bị đẩy lùi, đồng thời bị nam châm hư cấu phía trên hút.

Hiệu ứng ròng sẽ luôn luôn hãm ngay cả khi nam châm được thả với cực bắc hướng xuống.

Định luật Joule-Lenz

Định luật Joule-Lenz mô tả cách một phần năng lượng liên quan đến dòng điện chạy qua vật dẫn bị mất đi dưới dạng nhiệt, một hiệu ứng được sử dụng trong lò sưởi điện, bàn là, máy sấy tóc và lò đốt điện. trong số các thiết bị khác.

Tất cả chúng đều có điện trở, dây tóc hoặc bộ phận phát nhiệt nóng lên khi dòng điện chạy qua.

Ở dạng toán học, gọi R là điện trở của phần tử đốt nóng, I là cường độ dòng điện chạy qua nó và t thời gian, nhiệt lượng do hiệu ứng Joule tỏa ra là:

Trong đó Q được đo bằng jun (đơn vị SI). James Joule và Heinrich Lenz đã phát hiện ra hiệu ứng này đồng thời vào khoảng năm 1842.

Ví dụ

Dưới đây là ba ví dụ quan trọng áp dụng định luật Faraday-Lenz:

Máy phát điện xoay chiều

Một máy phát điện xoay chiều biến đổi cơ năng thành điện năng. Cơ sở lý luận đã được mô tả ở phần đầu: một vòng dây được quay ở giữa một từ trường đều, giống như được tạo ra giữa hai cực của một nam châm điện lớn. Khi dùng N lượt thì emf tăng tỉ lệ với N.

Hình 6. Máy phát điện xoay chiều.

Khi vòng lặp quay, vectơ pháp tuyến đối với bề mặt của nó thay đổi hướng của nó so với trường, tạo ra một emf thay đổi hình sin theo thời gian. Giả sử tần số góc của chuyển động quay là ω, thì bằng cách thay thế vào phương trình đã cho ở đầu, ta sẽ có:

Máy biến áp

Nó là một thiết bị cho phép lấy điện áp một chiều từ hiệu điện thế xoay chiều. Máy biến áp là một phần của vô số thiết bị, chẳng hạn như bộ sạc điện thoại di động, nó hoạt động như sau:

Có hai cuộn dây quấn quanh lõi sắt, một cuộn dây được gọi là cuộn sơ cấp và cuộn dây còn lại là cuộn thứ cấp. Số lượt tương ứng là N ₁ và N ₂ .

Cuộn sơ cấp hoặc cuộn dây được nối với hiệu điện thế xoay chiều (ví dụ như ổ cắm điện gia đình chẳng hạn) có dạng V _P = V ₁ .cos ωt, làm cho dòng điện xoay chiều có tần số ω chạy bên trong nó.

Dòng điện này tạo ra từ trường đến lượt nó gây ra từ thông dao động ở cuộn thứ hai hoặc cuộn dây có điện áp thứ cấp có dạng V _S = V ₂ .cos ωt.

Bây giờ, hóa ra từ trường bên trong lõi sắt tỷ lệ nghịch với số vòng của cuộn sơ cấp:

Và V _{P cũng vậy} , điện áp trong cuộn sơ cấp, trong khi cảm ứng V _S trong cuộn thứ hai, như chúng ta đã biết, tỷ lệ thuận với số vòng dây N ₂ và cả V _P.

Vì vậy, kết hợp các tỷ lệ này, chúng ta có mối quan hệ giữa V _S và V _P phụ thuộc vào thương số giữa số lượt của mỗi một, như sau:

Hình 7. Máy biến áp. Nguồn: Wikimedia Commons. KundaliniZero

Máy dò kim loại

Chúng là thiết bị được sử dụng trong các ngân hàng và sân bay để bảo mật. Họ phát hiện sự hiện diện của bất kỳ kim loại nào, không chỉ sắt hoặc niken. Chúng hoạt động nhờ vào các dòng điện cảm ứng, thông qua việc sử dụng hai cuộn dây: một máy phát và một máy thu.

Một dòng điện xoay chiều tần số cao được chạy qua trong cuộn dây máy phát, để nó tạo ra một từ trường xoay chiều dọc theo trục (xem hình vẽ), tạo ra một dòng điện trong cuộn dây máy thu, điều gì đó tương tự như hiện tượng xảy ra. với máy biến áp.

Hình 8. Nguyên lý hoạt động của máy dò kim loại.

Nếu một miếng kim loại được đặt giữa cả hai cuộn dây, trong đó xuất hiện dòng điện cảm ứng nhỏ, gọi là dòng điện xoáy (dòng điện không thể chạy trong vật cách điện). Cuộn nhận phản ứng với các từ trường của cuộn phát và các từ trường được tạo ra bởi dòng điện xoáy.

Dòng điện xoáy cố gắng giảm thiểu từ thông trong miếng kim loại. Do đó, trường cảm nhận của cuộn dây nhận sẽ giảm khi một mảnh kim loại được đặt vào giữa cả hai cuộn dây. Khi điều này xảy ra, một cảnh báo sẽ được kích hoạt để cảnh báo sự hiện diện của kim loại.

Bài tập

Bài tập 1

Có một cuộn dây tròn gồm 250 vòng, bán kính 5 cm, đặt vuông góc với từ trường đều 0,2 T. Hãy xác định emf cảm ứng nếu trong khoảng thời gian 0,1 s, độ lớn của từ trường tăng gấp đôi và cho biết chiều của dòng điện, theo hình sau:

Hình 9. Vòng dây tròn đặt giữa từ trường đều vuông góc với mặt phẳng của vòng dây. Nguồn: F. Zapata.

Giải pháp

Đầu tiên chúng ta sẽ tính độ lớn của emf cảm ứng, sau đó chiều của dòng điện liên kết sẽ được chỉ ra theo hình vẽ.

Vì từ trường tăng gấp đôi, từ thông cũng vậy, do đó một dòng điện cảm ứng được tạo ra trong vòng phản đối sự gia tăng nói trên.

Trường trong hình chỉ vào bên trong màn hình. Trường tạo bởi dòng điện cảm ứng phải rời khỏi màn hình, áp dụng quy tắc ngón tay cái phải thì dòng điện cảm ứng ngược chiều kim đồng hồ.

Bài tập 2

Một cuộn dây hình vuông gồm 40 vòng dây mỗi cạnh 5 cm quay với tần số 50 Hz giữa một trường đều có cường độ 0,1 T. Ban đầu cuộn dây đặt vuông góc với điện trường. Biểu thức cho emf cảm ứng sẽ là gì?

Giải pháp

Từ các phần trước, biểu thức này đã được suy ra:

Người giới thiệu

1. Figueroa, D. (2005). Loạt bài: Vật lý cho Khoa học và Kỹ thuật. Tập 6. Điện từ học. Biên tập bởi Douglas Figueroa (USB).
2. Hewitt, Paul. 2012. Khoa học Vật lý Khái niệm. ngày 5. Ed. Pearson.
3. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
4. Cao đẳng OpenStax. Định luật cảm ứng Faraday: Định luật Lenz. Đã khôi phục từ: opentextbc.ca.
5. Vật lý Libretexts. Định luật Lenz. Đã khôi phục từ: Phys.libretexts.org.
6. Sears, F. (2009). Vật lý Đại học Tập 2.