Lenz lov, retning av indusert strøm og energibevarelse.
Lenz' lov
I kapittel 5.1 lærte du Faradays lov, som forteller oss hvor stor den induserte EMF-en er. Men i mange situasjoner er det like viktig å vite hvilken retning den induserte strømmen går. Det er nettopp dette Lenz' lov handler om.
Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804–1865) var en russisk fysiker av baltisk-tysk opprinnelse. I 1834 formulerte han loven som bærer hans navn, og som gir oss en elegant regel for å bestemme retningen på indusert strøm.
I dette kapitlet lærer du:
- Den fullstendige formuleringen av Lenz' lov
- Systematisk fremgangsmåte for å finne strømretning
- Høyrehåndsregelen for induksjon
- Hvorfor Lenz' lov er en konsekvens av energibevaring
- Praktiske anvendelser og eksempler
Med andre ord: Det magnetfeltet som den induserte strømmen skaper, vil alltid motarbeide endringen i den opprinnelige magnetiske fluksen.
Matematisk uttrykk:
Minustegnet i Faradays lov representerer Lenz' lov:
Minustegnet sier at den induserte EMF-en (og dermed strømmen) virker i en retning som motvirker fluksendringen.
Systematisk fremgangsmåte for å bestemme strømretning
For å bruke Lenz' lov systematisk, følg disse stegene:
Steg 1: Bestem retningen på det eksterne magnetfeltet
Tegn feltlinjene til det eksterne magnetfeltet gjennom sløyfen. Angi om feltet peker «inn i» eller «ut av» sløyfen.
Steg 2: Bestem om fluksen øker eller minker
Spør deg selv: Blir det flere eller færre feltlinjer gjennom sløyfen?
- Øker fluksen? Det betyr at endringen .
- Minker fluksen? Det betyr at .
Steg 3: Finn retningen på det induserte magnetfeltet
Lenz' lov sier:
- Hvis fluksen øker: Det induserte feltet peker motsatt av det eksterne feltet (for å motvirke økningen).
- Hvis fluksen minker: Det induserte feltet peker samme vei som det eksterne feltet (for å opprettholde fluksen).
Steg 4: Bruk høyrehåndsregelen for å finne strømretningen
Når du vet hvilken retning det induserte feltet må peke, bruker du høyrehåndsregelen:
- Krul fingrene i strømretningen
- Tommelen peker i retningen av magnetfeltet som strømmen skaper
Alternativt: Pek tommelen i retningen av det induserte feltet, og fingrene viser strømretningen.
Naturen «liker ikke» endringer i magnetisk fluks og vil alltid prøve å motarbeide dem.
- Fluks øker? → Indusert strøm prøver å «bremse» økningen (lager felt som motvirker).
- Fluks minker? → Indusert strøm prøver å «opprettholde» fluksen (lager felt som støtter).
Alternativ huskeregel: «Hvis du prøver å skyve en magnet inn i en spole, vil spolen skyve tilbake.»
Dette er som et fysisk uttrykk for treghet – systemet motsetter seg endring.
Høyrehåndsregelen for induksjon
Høyrehåndsregelen er et kraftig verktøy for å finne strømretningen når du allerede vet hvilken retning det induserte magnetfeltet må ha.
Bruk av høyrehåndsregelen
1. Bestem retningen på det induserte B-feltet (fra Lenz' lov).
2. Pek høyre tommel i retningen av det induserte -feltet gjennom sløyfen.
3. Fingrene krøller seg i retningen strømmen må gå.
Viktige konvensjoner
- Sett fra forsiden av sløyfen: Hvis strømmen går mot klokka, peker «mot deg» (ut av sløyfen).
- Sett fra forsiden av sløyfen: Hvis strømmen går med klokka, peker «fra deg» (inn i sløyfen).
Eksempel: Nordpol nærmer seg
Hvis nordpolen til en magnet beveger seg mot en spole:
1. Det eksterne feltet peker inn i spolen (mot høyre, si).
2. Fluksen gjennom spolen øker.
3. Lenz' lov: Det induserte feltet peker ut av spolen (mot venstre) – det motvirker økningen.
4. Høyrehåndsregelen: Pek tommelen mot venstre → Fingrene viser at strømmen går mot klokka sett fra magnetsiden.
Resultatet er at spolen oppfører seg som en magnet med nordpolen rettet mot den innkommende magneten → frastøtning → motvirkning!
En stavmagnet skyves inn i en spole med nordpolen først. Deretter trekkes magneten ut igjen.
a) Beskriv retningen på den induserte strømmen mens magneten skyves inn.
b) Beskriv retningen på den induserte strømmen mens magneten trekkes ut.
c) Hva skjer med strømmen hvis magneten holdes i ro inne i spolen?
1. Eksternt felt: Magnetfeltlinjene fra nordpolen peker inn i spolen.
2. Fluksendring: Fluksen gjennom spolen øker (magneten nærmer seg).
3. Lenz' lov: Det induserte feltet må peke ut av spolen (mot magneten) for å motvirke økningen.
4. Strømretning: Strømmen går slik at den lager en «nordpol» som peker mot magneten.
Svar a): Strømmen går mot klokka sett fra magnetsiden – spolen frastøter magneten.
---
b) Magneten trekkes ut:
1. Fluksendring: Fluksen gjennom spolen minker (magneten fjernes).
2. Lenz' lov: Det induserte feltet må peke inn i spolen (i samme retning som det opprinnelige feltet) for å prøve å opprettholde fluksen.
3. Strømretning: Strømmen snur retning og lager en «sørpol» mot magneten.
Svar b): Strømmen snur og går med klokka sett fra magnetsiden – spolen tiltrekker magneten.
---
c) Magneten holdes i ro:
Når magneten er i ro, er det ingen endring i magnetisk fluks:
Svar c): Ingen strøm induseres. Det er endringen i fluks som skaper strøm, ikke fluksen i seg selv.
En sirkulær ledersløyfe ligger horisontalt på et bord. Et uniformt magnetfelt peker vertikalt oppover gjennom sløyfen.
Bestem retningen på den induserte strømmen (med eller mot klokka sett ovenfra) i følgende tilfeller:
a) Magnetfeltet øker i styrke.
b) Magnetfeltet minker i styrke.
c) Magnetfeltet holder konstant styrke, men sløyfen trekkes sammen slik at arealet minker.
1. Fluksen øker (feltet peker opp og blir sterkere).
2. Lenz' lov: Det induserte feltet må peke nedover for å motvirke økningen.
3. Høyrehåndsregelen: For felt nedover, pek tommelen ned → fingrene krøller seg med klokka sett ovenfra.
Svar a): Strømmen går med klokka (sett ovenfra).
---
b) Feltet minker (men peker fortsatt oppover):
1. Fluksen minker (feltet peker opp men blir svakere).
2. Lenz' lov: Det induserte feltet må peke oppover for å opprettholde fluksen.
3. Høyrehåndsregelen: For felt oppover, pek tommelen opp → fingrene krøller seg mot klokka sett ovenfra.
Svar b): Strømmen går mot klokka (sett ovenfra).
---
c) Arealet minker, feltet er konstant oppover:
1. . Når minker mens er konstant, minker fluksen.
2. Lenz' lov: Det induserte feltet må peke oppover for å opprettholde fluksen.
3. Høyrehåndsregelen: Strømmen går mot klokka sett ovenfra.
Svar c): Strømmen går mot klokka (sett ovenfra) – samme som i b).
Lenz' lov og energibevaring
Lenz' lov er ikke bare en praktisk regel – den er en fundamental konsekvens av energibevaring.
Tankeeksperiment: Hva om Lenz' lov ikke gjaldt?
Tenk deg at en magnet nærmer seg en spole, og at den induserte strømmen skapte et felt som tiltrakk magneten (i stedet for å frastøte den).
Da ville det skjedd:
1. Magneten akselererer mot spolen (tiltrekning).
2. Fluksen øker raskere → enda mer strøm induseres.
3. Mer strøm → enda sterkere tiltrekning.
4. Magneten akselererer mer og mer → uendelig energi!
Dette bryter med energibevaring! Altså må den induserte strømmen motvirke endringen.
Energiregnskap
Når vi skyver en magnet inn i en spole:
- Vi må utføre mekanisk arbeid mot den frastøtende kraften.
- Dette arbeidet konverteres til elektrisk energi (indusert strøm).
- Den elektriske energien konverteres til varme i spolens motstand ().
Energien er bevart!
Formel for kraft på magnet
For en magnet som beveges mot en spole, er den bremsende kraften proporsjonal med hastigheten:
Jo raskere du skyver magneten, desto raskere endres fluksen, desto større EMF, desto mer strøm, og desto sterkere frastøtning. Dette er grunnlaget for elektromagnetisk bremsing.
Konsekvenser:
- For å opprettholde en fluksendring (og dermed strømproduksjon) må det tilføres energi utenfra
- Den tilførte energien konverteres til elektrisk energi i kretsen
- Lenz' lov garanterer at
Minustegnet er essensielt – det sikrer energibevaring i elektromagnetiske systemer.
En sylindrisk neodymmagnet slippes gjennom et vertikalt kobberrør. Magneten faller mye saktere enn i fritt fall.
a) Forklar hvorfor magneten bremses.
b) Hva skjer med den kinetiske energien magneten «mister»?
c) Hvis røret kuttes i lengderetningen (slik at det ikke danner en lukket sløyfe), hva skjer da?
Når magneten faller gjennom kobberrøret:
1. Den magnetiske fluksen gjennom enhver tverrsnittsdel av røret endres kontinuerlig.
2. Ifølge Faradays lov induseres virvelstrømmer i kobberet.
3. Ifølge Lenz' lov skaper disse strømmene magnetfelt som motvirker bevegelsen.
Konkret:
- Over magneten: Fluksen minker → indusert felt prøver å tiltrekke magneten (bremser nedover)
- Under magneten: Fluksen øker → indusert felt prøver å frastøte magneten (bremser nedover)
Begge effektene bremser magneten!
Svar a): Virvelstrømmer i kobberet skaper magnetiske krefter som motvirker magnetens bevegelse.
---
b) Energiomvandling:
Den kinetiske energien magneten «mister» konverteres til:
- Joulevarme i kobberet ()
- Kobberrøret varmes opp!
Svar b): Energien omdannes til varme i kobberet gjennom virvelstrømmenes ohmske tap.
---
c) Kuttet rør:
Hvis røret kuttes i lengderetningen, kan virvelstrømmene ikke danne lukkede sløyfer. Uten lukket krets kan ingen strøm flyte, og dermed oppstår ingen bremsende kraft.
Svar c): Magneten faller i fritt fall – ingen bremsing. Dette demonstrerer at det er strømmen (ikke bare EMF-en) som skaper den bremsende kraften.
En flat, rektangulær spole med 80 vindinger, areal m og motstand ligger i et uniformt magnetfelt. Feltet er vinkelrett på spolen og endres fra T til T i løpet av s.
a) Bestem retningen til feltet og om fluksen øker eller minker.
b) Beregn den induserte EMF-en.
c) Beregn den induserte strømmen og angi retningen med Lenz' lov.
d) Hvor mye energi omsettes i spolen i dette tidsrommet?
Feltet endres fra 0,60 T til 0,20 T, altså minker feltet.
Siden og minker: Fluksen minker.
Svar a): Fluksen minker med 0,016 Wb.
---
b) Indusert EMF:
Svar b): V.
---
c) Strøm og retning:
Retning (Lenz' lov): Fluksen minker, så den induserte strømmen må skape et felt i samme retning som det opprinnelige feltet for å motvirke nedgangen. Bruk høyrehåndsregelen for å finne den konkrete strømretningen i spolen.
Svar c): A. Strømmen går i den retningen som opprettholder det opprinnelige feltet.
---
d) Energi:
Alternativt: J
Svar d): Det omsettes omtrent 0,82 J varmeenergi i spolen.
Motstand mot fluksforandring i praksis
Lenz' lov manifesterer seg på mange måter i dagliglivet og teknologien:
Elektromagnetisk bremsing
I mange tog og fornøyelsesparker brukes elektromagnetisk bremsing:
- En metallplate beveger seg gjennom et magnetfelt
- Virvelstrømmer induseres i platen
- Lenz' lov: Strømmene skaper krefter som motvirker bevegelsen
- Resultatet: Bremsing uten mekanisk kontakt – ingen slitasje!
Fordeler:
- Ingen kontaktflater som slites
- Bremsekraften øker med hastigheten (naturlig sikkerhet)
- Støyfri bremsing
Virvelstrømsdemping
I presisjonsinstrumenter brukes virvelstrømsdemping:
- Galvanometre har et metallfeste som demper nålens svingninger
- Analogvekter har en metallplate som beveger seg mellom magneter
- Lenz' lov sørger for rask demping av oscillasjoner
Induksjonskomfyr (repetisjon)
- Vekselstrøm i spolen under glassplaten
- Raskt skiftende magnetfelt
- Virvelstrømmer i kjelen → oppvarming
- Ikke-magnetiske materialer (glass) påvirkes ikke
Metalldetektorer
- En spole sender ut et vekslende magnetfelt
- Metallgjenstander får indusert virvelstrømmer
- Virvelstrømmene skaper sitt eget felt som påvirker detektoren
- Lenz' lov gjør at metallgjenstander «svarer» på det utsendte feltet
En aluminiumsplate henger som en pendel mellom polene til en kraftig elektromagnet. Forklar hva som skjer i hvert tilfelle:
a) Magneten er av – platen svinger fritt.
b) Magneten slås på – platen settes i sving.
c) Aluminiumsplaten erstattes av en plate med spalter (smale kutt).
Uten magnetfelt er det ingen indusert strøm. Platen svinger fritt med kun luftmotstand og friksjon i opphengspunktet som demping.
Svar a): Platen svinger fritt med langsom demping.
---
b) Magnet på:
1. Når platen svinger inn i magnetfeltet, endres fluksen gjennom platen.
2. Virvelstrømmer induseres i aluminiumet.
3. Lenz' lov: Virvelstrømmene skaper krefter som motvirker bevegelsen.
4. Platen bremses kraftig – den stopper nesten umiddelbart!
Svar b): Platen bremses raskt av elektromagnetiske krefter og stopper etter kort tid.
---
c) Plate med spalter:
Spaltene bryter opp de lukkede sløyfene som virvelstrømmene trenger:
- Strømmene kan ikke flyte i store sløyfer
- Den totale induserte strømmen blir mye mindre
- Dermed blir bremsekraften svakere
Svar c): Platen svinger lenger før den stopper. Spaltene reduserer virvelstrømmene og dermed den elektromagnetiske bremsingen.
Viktig prinsipp: Dette er samme grunn til at transformatorkjerner lamineres – tynne, isolerte plater reduserer virvelstrømmene og energitapet.
En rektangulær ledersløyfe med bredde m, lengde m og motstand befinner seg helt inne i et uniformt magnetfelt T som peker inn i planet.
Sløyfen trekkes med konstant hastighet m/s mot høyre, slik at den forlater feltet.
a) Mens sløyfen fortsatt er helt inne i feltet: Er det noen indusert EMF?
b) Mens sløyfen er delvis ute av feltet: Beregn den induserte EMF-en.
c) Bestem retningen på den induserte strømmen (med eller mot klokka).
d) Beregn kraften som trengs for å opprettholde konstant hastighet.
Når sløyfen er helt inne i et uniformt felt, er fluksen:
Arealet inne i feltet endres ikke → ingen fluksendring → ingen EMF.
Svar a): . Ingen strøm induseres.
---
b) Delvis ute av feltet:
Når sløyfen er delvis ute, har den en lengde inne i feltet som minker med hastighet :
Arealet inne i feltet: , der .
Svar b): V = 80 mV.
---
c) Strømretning:
1. Feltet peker inn i planet.
2. Sløyfen trekkes ut → arealet i feltet minker → fluksen minker.
3. Lenz' lov: Den induserte strømmen må skape et felt inn i planet (samme som det eksterne) for å opprettholde fluksen.
4. Høyrehåndsregelen: For felt inn i planet → strømmen går med klokka.
Svar c): Strømmen er 0,16 A og går med klokka.
---
d) Kraft for konstant hastighet:
Den strømbærende venstre kanten (som fortsatt er i feltet) opplever en magnetisk kraft:
Denne kraften peker mot venstre (Lenz' lov – motvirker bevegelsen). For å holde konstant hastighet trengs en like stor kraft mot høyre.
Svar d): N = 6,4 mN mot høyre.
Sjekk med energi:
Energien er bevart!
Det er endringen i fluks (ikke feltstyrken) som bestemmer indusert EMF. Et sterkt, konstant felt gir ingen induksjon.
Feil 2: Glemme at retningen snur
Når en magnet først skyves inn og deretter trekkes ut, snur strømretningen. Mange glemmer å analysere hvert tilfelle separat.
Feil 3: Tro at det induserte feltet opphever det eksterne
Det induserte feltet motvirker endringen, men er vanligvis mye svakere enn det eksterne feltet. Det opphever ikke det eksterne feltet fullstendig.
Feil 4: Glemme at det trengs en lukket krets
EMF induseres uansett, men strøm kan bare flyte i en lukket krets. En åpen sløyfe har EMF men ingen strøm.
Lenz' lov i spoler med mange vindinger
For en spole med vindinger forsterkes den induserte EMF-en:
Hva betyr dette for Lenz' lov?
Flere vindinger gir:
- Større indusert EMF (proporsjonal med )
- Større indusert strøm (hvis motstanden ikke øker like mye)
- Sterkere indusert magnetfelt (som motvirker endringen)
Men det induserte feltet kan aldri fullstendig motvirke endringen. Hvis det gjorde det, ville det ikke være noen fluksendring, og dermed ingen indusert strøm – en selvmotsigelse!
Selvinduktans (forhåndsvisning)
Når strømmen i en spole endres, endres også det magnetiske feltet spolen selv skaper. Dette betyr at spolen induserer en EMF i seg selv – dette kalles selvinduktans. Vi kommer tilbake til dette i et senere kapittel.
Lenz' lov forteller oss at den selvinduserte EMF-en alltid motvirker strømendringen:
- Økende strøm → selvindusert EMF motvirker (bremser økningen)
- Minkende strøm → selvindusert EMF støtter (bremser nedgangen)
En sirkulær ledersløyfe med areal m og motstand ligger parallelt med og nær en elektromagnet. Strømmen i elektromagneten økes jevnt slik at magnetfeltet gjennom sløyfen øker med en rate på T/s.
a) Beregn den induserte EMF-en i sløyfen.
b) Beregn den induserte strømmen.
c) Bestem retningen på strømmen med Lenz' lov.
d) Beregn den magnetiske fluksen skapt av den induserte strømmen og sammenlign med den eksterne fluksendringen.
Sløyfen har vinding og feltet er vinkelrett:
Størrelsen: V = 12,5 mV
Svar a): mV.
---
b) Indusert strøm:
Svar b): mA.
---
c) Retning:
Feltet øker (elektromagneten forsterkes). Lenz' lov: Den induserte strømmen skaper et felt som motvirker økningen, altså i motsatt retning av det eksterne feltet.
Svar c): Strømmen går slik at dens felt peker motsatt av det økende eksterne feltet.
---
d) Sammenligning:
Det induserte feltet i sentrum av sløyfen (med radius m):
Per sekund øker det eksterne feltet med 0,50 T, mens det induserte feltet er ca. T – millioner ganger svakere!
Svar d): Det induserte feltet er ekstremt svakt sammenlignet med det eksterne. Det motvirker endringen, men kan langt fra oppheve den.
Oppsummering
Lenz' lov
Den induserte strømmen går alltid i en retning som motvirker den fluksendringen som forårsaket den.
Systematisk fremgangsmåte
1. Finn retningen på det eksterne feltet
2. Bestem om fluksen øker eller minker
3. Det induserte feltet peker motsatt (øking) eller samme vei (nedgang) som det eksterne
4. Bruk høyrehåndsregelen for å finne strømretningen
Energibevaring
- Lenz' lov er en konsekvens av energibevaring
- Det må tilføres energi for å opprettholde fluksendringen
- Mekanisk arbeid → elektrisk energi → varme
Praktiske konsekvenser
- Elektromagnetisk bremsing
- Virvelstrømsdemping
- Laminering av transformatorkjerner
- Induksjonsoppvarming
Oppgaver
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
