Ley de Lenz

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oposición electromagnética al cambio

La ley de Lenz indica la dirección de una corriente en un bucle de conductor inducido indirectamente por el cambio de flujo magnético a través del bucle. Escenarios a, b, c, d y e son posibles. Escenario f es imposible debido a la ley de conservación de la energía. Las cargas (electronas) en el conductor no se mueven directamente por el cambio de flujo, sino por un campo eléctrico circular (no representado) que rodea el campo magnético total de campos magnéticos inducidos e inducidos. Este campo magnético total induce el campo eléctrico.

La ley de Lenz establece que la dirección de la corriente eléctrica inducida en un conductor por un campo magnético cambiante es tal que el campo magnético creado por la corriente inducida se opone a los cambios en el campo magnético inicial. campo. Lleva el nombre del físico Emil Lenz, quien lo formuló en 1834.

Es una ley cualitativa que especifica la dirección de la corriente inducida, pero no establece nada sobre su magnitud. La ley de Lenz predice la dirección de muchos efectos en el electromagnetismo, como la dirección del voltaje inducido en un inductor o bucle de alambre por una corriente cambiante, o la fuerza de arrastre de las corrientes de Foucault ejercidas sobre objetos en movimiento en un campo magnético.

La ley de Lenz puede considerarse análoga a la tercera ley de Newton en mecánica clásica y al principio de Le Chatelier en química.

Definición

La ley de Lenz establece que:

La corriente inducida en un circuito debido a un cambio en un campo magnético está dirigida a oponerse al cambio de flujo y a ejercer una fuerza mecánica que se opone al movimiento.

La ley de Lenz está contenida en el tratamiento riguroso de la ley de inducción de Faraday (la magnitud de la FEM inducida en una bobina es proporcional a la tasa de cambio del campo magnético), donde encuentra expresión por el signo negativo:

{displaystyle {mathcal {E}}=-{frac {mathrm {d} Phi _{mathbf {B} }}{mathrm {d} t}},}

que indica que la fuerza electromotiva inducida ${mathcal {E}}$ y la tasa de cambio en el flujo magnético ${displaystyle Phi _{mathbf {B} }}$ tienen señales opuestas.

Esto significa que la dirección de la EMF inversa de un campo inducido se opone a la corriente cambiante que es su causa. DJ. Griffiths lo resumió de la siguiente manera: La naturaleza aborrece un cambio en el flujo.

Si un cambio en el campo magnético de la corriente i₁ induce otra corriente eléctrica, i₂, la dirección de i₂ es opuesta a la del cambio en i₁. Si estas corrientes están en dos conductores circulares coaxiales ℓ₁ y ℓ₂ respectivamente, y ambos son inicialmente 0, entonces las corrientes i₁ y i₂ deben girar en sentido contrario. Como resultado, las corrientes opuestas se repelerán entre sí.

Ejemplo

Los campos magnéticos de imanes potentes pueden crear corrientes contrarrotantes en una tubería de cobre o aluminio. Esto se muestra dejando caer el imán a través de la tubería. Se observa que el descenso del imán dentro de la tubería es más lento que cuando cae fuera de la tubería.

Cuando se genera un voltaje por un cambio en el flujo magnético según la ley de Faraday, la polaridad del voltaje inducido es tal que produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio que lo produce. El campo magnético inducido dentro de cualquier bucle de alambre siempre actúa para mantener constante el flujo magnético en el bucle. La dirección de una corriente inducida se puede determinar usando la regla de la mano derecha para mostrar qué dirección del flujo de corriente crearía un campo magnético que se opondría a la dirección del flujo cambiante a través del bucle. En los ejemplos anteriores, si el flujo aumenta, el campo inducido actúa en oposición a él. Si está decreciendo, el campo inducido actúa en la dirección del campo aplicado para oponerse al cambio.

Interacción detallada de cargas en estas corrientes

Anillo de aluminio movido por inducción electromagnética, demostrando así la ley de Lenz.

Experimento mostrando la ley de Lenz con dos anillos de aluminio en un dispositivo similar a escalas establecido en un pivote para moverse libremente en el plano horizontal. Un anillo está completamente cerrado, mientras que el otro tiene una abertura, no formando un círculo completo. Cuando colocamos un imán de barra cerca del anillo completamente cerrado, el anillo es repulsado por él. Sin embargo, cuando el sistema llega a un descanso, y eliminamos el imán de la barra, entonces el anillo es atraído por él. En el primer caso, la corriente inducida creada en el anillo resiste el aumento del flujo magnético causado por la proximidad del imán, mientras que en este último, sacar el imán del anillo disminuye el flujo magnético, induciendo tal corriente cuyo campo magnético resiste la disminución del flujo. Este fenómeno está ausente cuando repetimos el experimento con el anillo que no está encerrado insertando y eliminando la barra magnética. Las corrientes inducidas en este anillo no pueden encerrarse en el anillo, y tienen un campo muy débil que no puede resistir el cambio del flujo magnético.

En el electromagnetismo, cuando las cargas se mueven a lo largo de las líneas del campo eléctrico, se realiza trabajo sobre ellas, ya sea que se trate de almacenar energía potencial (trabajo negativo) o aumentar la energía cinética (trabajo positivo).

Cuando se aplica trabajo neto positivo a una carga q₁, gana velocidad e impulso. El trabajo neto en q₁ genera un campo magnético cuya fuerza (en unidades de densidad de flujo magnético (1 tesla = 1 voltio-segundo por metro cuadrado)) es proporcional a el aumento de velocidad de q₁. Este campo magnético puede interactuar con una carga vecina q₂, transmitiéndole este impulso y, a cambio, q₁ pierde impulso.

La carga q₂ también puede actuar sobre q₁ de forma similar, por lo que devuelve parte del impulso que recibió de q₁. Este componente de impulso de ida y vuelta contribuye a la inductancia magnética. Cuanto más cerca estén q₁ y q₂, mayor será el efecto. Cuando q₂ está dentro de un medio conductor, como una losa gruesa hecha de cobre o aluminio, responde más fácilmente a la fuerza que le aplica q₁. La energía de q₁ no se consume instantáneamente como calor generado por la corriente de q₂ sino que también se almacena en dos campos magnéticos opuestos. La densidad de energía de los campos magnéticos tiende a variar con el cuadrado de la intensidad del campo magnético; sin embargo, en el caso de materiales magnéticamente no lineales como ferromagnetos y superconductores, esta relación se rompe.

Conservación del impulso

La cantidad de movimiento debe conservarse en el proceso, por lo que si q₁ se empuja en una dirección, entonces q₂ debe ser empujado en la otra dirección por la misma fuerza al mismo tiempo. Sin embargo, la situación se vuelve más complicada cuando se introduce la velocidad finita de propagación de ondas electromagnéticas (ver potencial retardado). Esto significa que, durante un breve período, la cantidad de movimiento total de las dos cargas no se conserva, lo que implica que la diferencia debe explicarse por la cantidad de movimiento en los campos, como afirma Richard P. Feynman. El famoso electrodinámico del siglo XIX, James Clerk Maxwell, lo llamó "momento electromagnético". Sin embargo, tal tratamiento de campos puede ser necesario cuando la ley de Lenz se aplica a cargas opuestas. Normalmente se supone que las cargas en cuestión tienen el mismo signo. Si no lo hacen, como un protón y un electrón, la interacción es diferente. Un electrón que genera un campo magnético generaría un EMF que hace que un protón se acelere en la misma dirección que el electrón. Al principio, podría parecer que esto viola la ley de conservación de la cantidad de movimiento, pero se considera que tal interacción conserva la cantidad de movimiento si se tiene en cuenta la cantidad de movimiento de los campos electromagnéticos.

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