قانون لنز

قانون لنز که در مورد جریانهای القایی بکار می‌رود چنین بیان می‌شود که جریان القایی در مدارهای بسته در جهتی است که با عامل بوجود آورنده خود مخالفت می‌کند. این قانون علامت منفی موجود در قانون فاراده را توجیه می‌کند.

 

طبق قوانین القای الکترومغناطیسی اگر شارمغناطیسی گذرا از مدار تغییر کند، نیرو محرکه الکتریکی در مدار جاری می شود. با برقراری نیرو محرکه القایی در مدار، جریان الکتریکی القایی در آن جاری می شود. طبق قانون لنز جهت جریان القایی در مدار در جهتی است که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییرات شار مغناطیسی گذرا از مدار مخالفت می کند. اگر چکشی را از بالای نردبانی رها کنیم، هیچ نیازی به قاعده‌ای که بگوید چکش به طرف مرکز زمین یا در جهت مخالف آن حرکت می‌کند، نداریم. اگر در این موقع کسی از ما بپرسد که از کجا می‌دانید که چکش سقوط خواهد کرد، بهترین پاسخی که می‌توانیم بدهیم این است که بگوییم، همیشه به این صورت بوده است و اگر بخواهیم جوابمان علمی‌تر باشد، می‌توانیم بگوییم که زمانی که چکش سقوط می‌کند، انرژی پتانسیل گرانشی آن کاهش می‌یابد و برعکس انرژی جنبشی آن افزایش پیدا می‌کند.

 

اما اگر چکش به جای سقوط ، به طرف بالا برود، در این صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل آن هر دو افزایش پیدا می‌کنند و این موضوع پایستگی یا بقای انرژی را نقض می‌کند. استدلال مشابه را می‌توان در مورد تعیین جهت نیروی محرکه الکتریکی که با تغییر شار مغناطیسی در یک مدار القا می‌شود، بکار برد، یعنی در این مورد اخیر نیروی محرکه القایی باید در جهتی باشد که با اصل پایستگی سازگار باشد و این با استفاده از قانون لنز توضیح داده می‌شود.

 

در سال 1834 ، یعنی سه سال بعد از این که فاراده قانون القا خود را ارائه داد (قانون القا فاراده)، هاینریش فریدریش لنز (Heinrich Friedrich Lenz) قاعده معروف خود را که به قانون لنز معروف است، برای تعیین جهت جریان القایی در یک حلقه رسانای بسته ارائه داد. این قانون به صورت یک علامت منفی در قانون القای فاراده ظاهر می‌گردد. به این معنی که در رابطه نیروی محرکه القایی یک علامت منفی قرار داده و اعلام کنند که این علامت بیانگر قانون لنز است.

 

حلقه رسانایی را در نظر بگیرید که به یک گالوانومتر حساس متصل است. حال آهنربایی را در دست گرفته و به آرامی به این حلقه ، نزدیک کنید. ملاحظه می‌گردد که با نزدیک شدن آهنربا به حلقه عقربه گالوانومتر منحرف شده و وجود جریانی را در مدار نشان می‌دهد. این جریان را جریان القایی می‌گویند. حلقه جریان ، مانند آهنربای میله‌ای ، دارای قطب‌های شمال و جنوب است.

 

حال اگر آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز هم گالوانومتر منحرف می‌شود، اما این بار انحراف در جهت مخالف است و این امر نشان دهنده این مطلب است که جریان در جهت مخالف در حلقه جاری شده است. اگر میله آهنربا را سر و ته کنیم و آزمایش را تکرار کنیم، باز همان نتایج حاصل خواهد شد، جز این که جهت انحراف‌های عقربه گالوانومتر عوض خواهند شد. برای تشریح این آزمایش با استفاده از قانون لنز به صورت زیر عمل می‌کنیم:

زمانی که آهنربا را به آرامی به حلقه نزدیک می‌کنیم، تعداد خطوط شار مغناطیسی که از حلقه می‌گذرد، تغییر می‌کند و همین امر سبب ایجاد یا القا جریان در حلقه می‌شود و چون در ابتدا هیچ جریانی وجود نداشت، این جریان باید در جهتی باشد که با هل دادن آهنربا به سمت حلقه مخالفت کند. برعکس ، اگر بخواهیم آهنربا را از حلقه دور کنیم، باز جهت جریان در حلقه عوض شده و از دور کردن آن جلوگیری می‌کند. یعنی در حالت اول اگر قطب N آهنربای میله‌ای در طرف حلقه باشد، جریان القایی در حلقه به گونه‌ای خواهد بود که در برابر آن یک قطب N ایجاد کند تا مانع نزدیک شدن آهنربا شود.

 

حال زمانی که آهنربا را از حلقه دور می‌کنیم، حلقه جهت جریان خود را عوض نموده و با ایجاد قطب S ، آهنربا را جذب کرده و مانع از دور کردن آن می‌شود.

 

اگر توضیحات فوق بر اساس قانون لنز نبوده و عکس آن چیزی که گفته شد، اتفاق بیفتد، یعنی اگر جریان القایی به تغییری که باعث بوجود آمدن آن شده است، کمک کند، قانون بقای انرژی نقض می‌شود، یعنی اگر هنگام نزدیک کردن قطب آهنربا به حلقه در برابر آن قطب مخالف S ایجاد شده و آهنربا را جذب کند، در این صورت آهنربا باید به طرف حلقه شتاب پیدا کند و رفته رفته انرژی جنبشی آن افزایش پیدا کند و در همین هنگام انرژی گرمایی نیز ظاهر می‌شود. یعنی در واقع از هیچ ، انرژی بوجود می‌آید. بدیهی است که چنین عملی هرگز نمی‌تواند درست باشد.

 

بنابراین می‌توان گفت که قانون لنز چیزی جز بیان اصل بقای انرژی نیست که بطور مناسب در مورد مدارهای حامل جریان القایی بکار می‌رود.

 

قانون لنز مربوط به جریانهای القایی است و در مورد نیروی محرکه القایی صادق نیست، یعنی این قانون فقط در مورد حلقه‌های رسانا بکار می‌رود. اگر مدار باز باشد، معمولا می‌توان تصور کرد که اگر بسته بود چه اتفاقی می‌افتاد و بدین وسیله جهت نیروی محرکه القایی را معین نمود. مثلا اگر شار مغناطیسی گذرا از مدار به صورت درون سو باشد و کاهش پیدا کند، جریان الکتریکی در مدار القا می شود، که جهت این جریان القایی به صورت ساعتگرد خواهد بود تا میدان مغناطیسی حاصل از آن باعث تقویت میدان مغناطیسی شار گذرا از مدار باشد.

 

اگر این شار افزایش یابد، جهت جریان القایی در جهتی خواهد بود که میدان مغناطیسی حاصل از آن بر خلاف جهت میدان شار باشد. پس جهت جریان پاد ساعتگرد است. بنابراین برای تشخیص جهت جریان القایی کافیست، با توجه به میدان شار گذرا از مدار، جریان را در جهتی اختیار کنیم که میدان مغناطیسی حاصل از آن با برخلاف تغییرات میدان مغناطیسی شار باشد.