La ley de Lenz , nombre del físico Emil Lenz (pronunciado / l ɛ n t s / ) que la formuló en 1834, [1] estados que la dirección de la corriente eléctrica que está inducida en un conductor por un cambio de campo magnético es tal que el campo magnético creado por la corriente inducida se opone a los cambios en el campo magnético inicial.
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 parásitas ejercidas sobre los objetos en movimiento en un campo magnético.
La ley de Lenz puede considerarse análoga a la tercera ley de Newton en la mecánica clásica . [2] [3]
Definición
La ley de Lenz establece que la corriente inducida en un circuito debido a un cambio en un campo magnético está dirigida para oponerse al cambio de flujo y 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 EMF inducida en una bobina es proporcional a la tasa de cambio del campo magnético), [4] donde encuentra expresión por el signo negativo:
lo que indica que la fuerza electromotriz inducida y la tasa de cambio en el flujo magnético tienen signos opuestos. [5]
Esto significa que la dirección de la EMF trasera 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 de flujo. [6]
Si un cambio en el campo magnético de la corriente i 1 induce otra corriente eléctrica , i 2 , la dirección de i 2 es opuesta a la del cambio en i 1 . Si estas corrientes están en dos conductores circulares coaxiales ℓ 1 y ℓ 2 respectivamente, y ambos son inicialmente 0, entonces las corrientes i 1 e i 2 deben contrarrotar. Como resultado, las corrientes opuestas se repelerán entre sí.
Ejemplo
Los campos magnéticos de imanes fuertes pueden crear corrientes de contrarrotación en una tubería de cobre o aluminio. Esto se muestra dejando caer el imán a través de la tubería. El descenso del imán dentro de la tubería es notablemente más lento que cuando se deja caer fuera de la tubería.
Cuando se genera una tensión por un cambio de flujo magnético según la ley de Faraday, la polaridad de la tensión inducida es tal que produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio que la produce. El campo magnético inducido dentro de cualquier bucle de cable 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 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. [7] En los ejemplos siguientes, si el flujo aumenta, el campo inducido actúa en oposición a él. Si está disminuyendo, el campo inducido actúa en la dirección del campo aplicado para oponerse al cambio.
Interacción detallada de cargas en estas corrientes.
En el electromagnetismo, cuando las cargas se mueven a lo largo de las líneas del campo eléctrico , se trabaja en 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 q 1 , gana velocidad e impulso. El trabajo neto en q 1 genera así un campo magnético cuya fuerza (en unidades de densidad de flujo magnético (1 tesla = 1 voltio-segundo por metro cuadrado)) es proporcional al aumento de velocidad de q 1 . Este campo magnético puede interactuar con una carga vecina q 2 , transmitiéndole este impulso y, a cambio, q 1 pierde impulso.
La carga q 2 también puede actuar sobre q 1 de manera similar, por lo que devuelve parte del impulso que recibió de q 1 . Este componente de impulso de ida y vuelta contribuye a la inductancia magnética . Cuanto más cerca estén q 1 y q 2 , mayor será el efecto. Cuando q 2 está dentro de un medio conductor, como una losa gruesa de cobre o aluminio, responde más fácilmente a la fuerza que le aplica q 1 . La energía de q 1 no se consume instantáneamente como calor generado por la corriente de q 2 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 de momento
La cantidad de movimiento debe conservarse en el proceso, por lo que si q 1 se empuja en una dirección, entonces q 2 debería empujarse en la otra dirección por la misma fuerza al mismo tiempo. Sin embargo, la situación se complica cuando se introduce la velocidad finita de propagación de ondas electromagnéticas (ver potencial retardado ). Esto significa que durante un breve período no se conserva el impulso total de las dos cargas, lo que implica que la diferencia debe explicarse por el impulso en los campos, como afirma Richard P. Feynman . [8] El famoso electrodinámico del siglo XIX James Clerk Maxwell llamó a esto el "impulso electromagnético". [9] Sin embargo, tal tratamiento de campos puede ser necesario cuando la ley de Lenz se aplica a cargos opuestos. Normalmente se asume que los cargos 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, esto podría parecer una violación de la ley de conservación del impulso, pero se considera que dicha interacción conserva el impulso si se tiene en cuenta el impulso de los campos electromagnéticos.
Referencias
- ^ Lenz, E. (1834), " Ueber die Bestimmung der Richtung der durch elektodynamische Vertheilung erregten galvanischen Ströme ", Annalen der Physik und Chemie , 107 (31), págs. 483–494. Una traducción parcial del artículo está disponible en Magie, WM (1963), A Source Book in Physics , Harvard: Cambridge MA, págs. 511–513.
- ^ Schmitt, Ron. Electromagnetismo explicado . 2002. Consultado el 16 de julio de 2010.
- ^ Waygood, Adrian (2013). Introducción a la ciencia eléctrica . Taylor y Francis.
- ^ "Ley de la inducción electromagnética de Faraday" . Consultado el 27 de febrero de 2021 .
- ^ Giancoli, Douglas C. (1998). Física: principios con aplicaciones (5ª ed.). págs. 624 .
- ^ Griffiths, David (2013). Introducción a la electrodinámica . pag. 315. ISBN 978-0-321-85656-2.
- ^ "Ley de Faraday y ley de Lenz" . buphy.bu.edu . Consultado el 15 de enero de 2021 .
- ^ Las Conferencias de Feynman sobre Física : Volumen I, Capítulo 10, página 9.
- ^ Maxwell, James C.Un tratado sobre electricidad y magnetismo, volumen 2 . Consultado el 16 de julio de 2010.
enlaces externos
- Medios relacionados con la ley de Lenz en Wikimedia Commons
- Una demostración dramática del efecto en YouTube con unbloque de aluminio en una resonancia magnética