قانون لنز

قانون لنز

قانون لنز كه در مورد جريانهاي القايي بكار مي‌رود چنين بيان مي‌شود كه جريان القايي در مدارهاي بسته در جهتي است كه با عامل بوجود آورنده خود مخالفت مي‌كند. اين قانون علامت منفي موجود در قانون فاراده را توجيه مي‌كند.

مقدمه

طبق قوانين القاي الكترومغناطيسي اگر شارمغناطيسي گذرا از مدار تغيير كند، نيرو محركه الكتريكي در مدار جاري مي شود. با برقراري نيرو محركه القايي در مدار، جريان الكتريكي القايي در آن جاري مي شود. طبق قانون لنز جهت جريان القايي در مدار در جهتي است كه ميدان مغناطيسي حاصل از آن با تغييرات شار مغناطيسي گذرا از مدار مخالفت مي كند. اگر چكشي را از بالاي نردباني رها كنيم، هيچ نيازي به قاعده‌اي كه بگويد چكش به طرف مركز زمين يا در جهت مخالف آن حركت مي‌كند، نداريم. اگر در اين موقع كسي از ما بپرسد كه از كجا مي‌دانيد كه چكش سقوط خواهد كرد، بهترين پاسخي كه مي‌توانيم بدهيم اين است كه بگوييم، هميشه به اين صورت بوده است و اگر بخواهيم جوابمان علمي‌تر باشد، مي‌توانيم بگوييم كه زماني كه چكش سقوط مي‌كند، انرژي پتانسيل گرانشي آن كاهش مي‌يابد و برعكس انرژي جنبشي آن افزايش پيدا مي‌كند.

اما اگر چكش به جاي سقوط ، به طرف بالا برود، در اين صورت انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل آن هر دو افزايش پيدا مي‌كنند و اين موضوع پايستگي يا بقاي انرژي را نقض مي‌كند. استدلال مشابه را مي‌توان در مورد تعيين جهت نيروي محركه الكتريكي كه با تغيير شار مغناطيسي در يك مدار القا مي‌شود، بكار برد، يعني در اين مورد اخير نيروي محركه القايي بايد در جهتي باشد كه با اصل پايستگي سازگار باشد و اين با استفاده از قانون لنز توضيح داده مي‌شود.

تاريخچه

در سال 1834 ، يعني سه سال بعد از اين كه فاراده قانون القا خود را ارائه داد (قانون القا فاراده)، هاينريش فريدريش لنز (Heinrich Friedrich Lenz) قاعده معروف خود را كه به قانون لنز معروف است، براي تعيين جهت جريان القايي در يك حلقه رساناي بسته ارائه داد. اين قانون به صورت يك علامت منفي در قانون القاي فاراده ظاهر مي‌گردد. به اين معني كه در رابطه نيروي محركه القايي يك علامت منفي قرار داده و اعلام كنند كه اين علامت بيانگر قانون لنز است.

تشريح قانون لنز

حلقه رسانايي را در نظر بگيريد كه به يك گالوانومتر حساس متصل است. حال آهنربايي را در دست گرفته و به آرامي به اين حلقه ، نزديك كنيد. ملاحظه مي‌گردد كه با نزديك شدن آهنربا به حلقه عقربه گالوانومتر منحرف شده و وجود جرياني را در مدار نشان مي‌دهد. اين جريان را جريان القايي مي‌گويند. حلقه جريان ، مانند آهنرباي ميله‌اي ، داراي قطب‌هاي شمال و جنوب است.

حال اگر آهنربا را از حلقه دور كنيم، باز هم گالوانومتر منحرف مي‌شود، اما اين بار انحراف در جهت مخالف است و اين امر نشان دهنده اين مطلب است كه جريان در جهت مخالف در حلقه جاري شده است. اگر ميله آهنربا را سر و ته كنيم و آزمايش را تكرار كنيم، باز همان نتايج حاصل خواهد شد، جز اين كه جهت انحراف‌هاي عقربه گالوانومتر عوض خواهند شد. براي تشريح اين آزمايش با استفاده از قانون لنز به صورت زير عمل مي‌كنيم:

زماني كه آهنربا را به آرامي به حلقه نزديك مي‌كنيم، تعداد خطوط شار مغناطيسي كه از حلقه مي‌گذرد، تغيير مي‌كند و همين امر سبب ايجاد يا القا جريان در حلقه مي‌شود و چون در ابتدا هيچ جرياني وجود نداشت، اين جريان بايد در جهتي باشد كه با هل دادن آهنربا به سمت حلقه مخالفت كند. برعكس ، اگر بخواهيم آهنربا را از حلقه دور كنيم، باز جهت جريان در حلقه عوض شده و از دور كردن آن جلوگيري مي‌كند. يعني در حالت اول اگر قطب N آهنرباي ميله‌اي در طرف حلقه باشد، جريان القايي در حلقه به گونه‌اي خواهد بود كه در برابر آن يك قطب N ايجاد كند تا مانع نزديك شدن آهنربا شود.

حال زماني كه آهنربا را از حلقه دور مي‌كنيم، حلقه جهت جريان خود را عوض نموده و با ايجاد قطب S ، آهنربا را جذب كرده و مانع از دور كردن آن مي‌شود.

قانون لنز و پايستگي انرژي

اگر توضيحات فوق بر اساس قانون لنز نبوده و عكس آن چيزي كه گفته شد، اتفاق بيفتد، يعني اگر جريان القايي به تغييري كه باعث بوجود آمدن آن شده است، كمك كند، قانون بقاي انرژي نقض مي‌شود، يعني اگر هنگام نزديك كردن قطب آهنربا به حلقه در برابر آن قطب مخالف S ايجاد شده و آهنربا را جذب كند، در اين صورت آهنربا بايد به طرف حلقه شتاب پيدا كند و رفته رفته انرژي جنبشي آن افزايش پيدا كند و در همين هنگام انرژي گرمايي نيز ظاهر مي‌شود. يعني در واقع از هيچ ، انرژي بوجود مي‌آيد. بديهي است كه چنين عملي هرگز نمي‌تواند درست باشد.

بنابراين مي‌توان گفت كه قانون لنز چيزي جز بيان اصل بقاي انرژي نيست كه بطور مناسب در مورد مدارهاي حامل جريان القايي بكار مي‌رود.

ويژگي قانون لنز

قانون لنز مربوط به جريانهاي القايي است و در مورد نيروي محركه القايي صادق نيست، يعني اين قانون فقط در مورد حلقه‌هاي رسانا بكار مي‌رود. اگر مدار باز باشد، معمولا مي‌توان تصور كرد كه اگر بسته بود چه اتفاقي مي‌افتاد و بدين وسيله جهت نيروي محركه القايي را معين نمود. مثلا اگر شار مغناطيسي گذرا از مدار به صورت درون سو باشد و كاهش پيدا كند، جريان الكتريكي در مدار القا مي شود، كه جهت اين جريان القايي به صورت ساعتگرد خواهد بود تا ميدان مغناطيسي حاصل از آن باعث تقويت ميدان مغناطيسي شار گذرا از مدار باشد.

و اگر اين شار افزايش يابد، جهت جريان القايي در جهتي خواهد بود كه ميدان مغناطيسي حاصل از آن بر خلاف جهت ميدان شار باشد. پس جهت جريان پاد ساعتگرد است. بنابراين براي تشخيص جهت جريان القايي كافيست، با توجه به ميدان شار گذرا از مدار، جريان را در جهتي اختيار كنيم كه ميدان مغناطيسي حاصل از آن با برخلاف تغييرات ميدان مغناطيسي شار باشد.