Warum sagt das Lenzsche Gesetz nicht das Verhalten eines Stabes auf Federn in einem Magnetfeld voraus?

Dies ergibt sich aus einer der kostenlosen Antwortfragen aus der Prüfung AP Physics B 2014.

Diagramm einer Stange, die an Federn im Magnetfeld aufgehängt ist

5. (15 Punkte) Ein leitender Massestab M und Länge L hängt im Ruhezustand an zwei identischen leitenden Federn mit jeweils Federkonstanten k , wie in der Abbildung links oben gezeigt. Die oberen Enden der Federn sind punktuell fixiert P Und Q , und der Stab befindet sich in einem homogenen Magnetfeld B in die Seite geleitet. Eine Batterie wird dann zwischen Punkten verbunden P Und Q , wie in der Abbildung rechts oben gezeigt, was zu einem Strom führt ICH im Stab. Die Stange wird nach unten verschoben und erreicht schließlich eine neue Gleichgewichtsposition, wobei die Federn um eine zusätzliche Strecke gedehnt sind Δ j .

(a) Welcher Punkt, P oder Q , ist mit dem Pluspol der Batterie verbunden? Rechtfertige deine Antwort.

Die Antwort ist Q. Aber ich habe P gesetzt. Ich sagte, es wird eine Änderung und Zunahme des Flusses geben. Dies bedeutet nach dem Lenzschen Gesetz, dass es ein induziertes Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung gibt. Mit der Handregel zeigen Sie mit dem Daumen in Richtung des Magnetfelds und krümmen Ihre Finger in Richtung des Stroms, wodurch es gegen den Uhrzeigersinn geht. Somit ist ersichtlich, dass P die richtige Antwort ist.

Warum ist meine Antwort falsch? Meine anderen Klassenkameraden sagen mir, die Antwort ist Q, warum?

Antworten (3)

Die Antwort ist Q, weil Sie auf dem zweiten Bild erkennen können, dass beim Anschließen der Batterie eine nach unten gerichtete Kraft auf die Stange ausgeübt wird. Da das Feld in die Seite gerichtet ist, muss sich der Strom von Punkt Q zu Punkt P bewegen, um diese nach unten gerichtete Kraft zu erzeugen.

Es stimmt, dass beim Bewegen von der Anfangs- zur Endposition aufgrund der Flussänderung ein induzierter Strom auftritt, aber dies ist ein vorübergehender Effekt, der nicht mehr auftritt, sobald der Stab das Gleichgewicht erreicht, und ich nehme an, dass der Strom, der durch die erzeugt wird Batterie stellt diesen transienten Effekt sowieso in den Schatten.

Okay, also wirkt der von der Batterie erzeugte Strom dem induzierten Strom entgegen, der durch die Flussänderung erzeugt wird? Insgesamt führt dies dazu, dass kein Strom in die Schleife fließt, wenn sie das Gleichgewicht erreicht?
Nein, sobald die Schleife das Gleichgewicht erreicht hat, ist der Strom nicht Null. Sobald die Schleife das Gleichgewicht erreicht, gibt es keinen sich ändernden Fluss mehr, was bedeutet, dass kein induzierter Strom mehr vorhanden ist. Das meinte ich, als ich sagte, der induzierte Strom sei ein transienter Effekt. Sobald sich die Schleife nicht mehr bewegt, wird der Strom ausschließlich von der Batterie geliefert.

Das Lenzsche Gesetz ist hier das falsche physikalische Prinzip. Es gilt, wenn eine Änderung des magnetischen Flusses einen Strom verursacht, aber in diesem Fall ist es umgekehrt: Der Strom verursacht die Änderung des Flusses, indem er den Stab bewegt. Da der Strom von der Batterie kommt und nicht von einem sich ändernden magnetischen Fluss, wenden Sie das Lenzsche Gesetz nicht darauf an.

Wenn sich nun der Balken bewegt, ändert sich der Fluss, und diese Flussänderung führt zu einem induzierten Strom zusätzlich zum Strom aus der Batterie. Tatsächlich fließt der induzierte Strom in die entgegengesetzte Richtung des ursprünglichen Stroms, sodass er den ursprünglichen Strom ein wenig aufhebt. (Der induzierte Strom ist im Allgemeinen viel geringer als der ursprüngliche Strom.) Aber der induzierte Strom spielt für dieses Problem keine Rolle; Sie müssen nur den ursprünglichen Strom kennen.

Da der Stab aufgrund der magnetischen Wechselwirkung nach unten gedrückt wurde, können wir mit herausfinden F = ICH L × B dass der Strom von Q nach P geht.

Wenn Sie nun die Lenz-Gesetze anwenden möchten, würden Sie feststellen, dass ein zunehmender Fluss einen Strom induzieren würde, der von P nach Q geht, aber das ist ein induzierter Strom, und was von uns verlangt wird, ist zu sagen, welches der positive Anschluss der Batterie ist. Dies wurde im vorherigen Absatz als nur Q bestimmt!

Warum sagt das Lenzsche Gesetz nicht das Verhalten eines Stabes auf Federn in einem Magnetfeld voraus?
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