חוק לנץ

• חשמל ומגנטיות
• מגנטיות והשראה
• 8 דקות קריאה

מגנט שנופל בתוך צינור נחושת יורד לאט, כמו בתוך דבש. הסיבה היא חוק לנץ: הזרם המושרה תמיד פועל נגד השינוי שיצר אותו. כאן תמצאו שיטה בארבעה צעדים למציאת כיוון הזרם, טבלה ותרגיל פתור.

התשובה בקצרה

חוק לנץ קובע את הכיוון של הזרם המושרה:

1. הכלל: הזרם המושרה זורם בכיוון שבו השדה המגנטי שלו מתנגד לשינוי בשטף שיצר אותו.
2. שטף שגדל: השדה המושרה מנוגד לשדה החיצוני. שטף שקטן: השדה המושרה באותו כיוון של השדה החיצוני, כדי “להשלים” את מה שחסר.
3. הסיבה: שימור אנרגיה. אילו הזרם היה עוזר לשינוי, היה אפשר לקבל אנרגיה בלי סוף.

למי זה מיועד: לתלמידי תיכון שלומדים חשמל ומגנטיות. כדאי להכיר קודם השראה אלקטרומגנטית, ולדעת למצוא כיוון של שדה מגנטי סביב לולאה בעזרת כלל יד ימין.

מה אומר חוק לנץ

חוק פאראדיי אומר כמה גדול הכא״מ המושרה כשהשטף המגנטי משתנה. הוא לא אומר לאן יזרום הזרם. את זה קבע הפיזיקאי היינריך לנץ ב־1834: הזרם המושרה זורם תמיד בכיוון שמתנגד לשינוי שיצר אותו.

“מתנגד לשינוי” ולא “מתנגד לשדה”. זה ההבדל החשוב. אם השטף גדל, הזרם המושרה יוצר שדה הפוך, שמנסה להקטין אותו. אם השטף קטן, הזרם יוצר שדה באותו כיוון, שמנסה לשמור עליו. בנוסחה של חוק פאראדיי החוק הזה מופיע כסימן המינוס:

ארבעה צעדים למציאת הכיוון

1. מה כיוון השדה החיצוני דרך הלולאה? למשל, לתוך הדף.
2. השטף גדל או קטן? המגנט מתקרב, השדה מתחזק או השטח גדל: השטף גדל. אחרת הוא קטן.
3. מה כיוון השדה המושרה? אם השטף גדל, השדה המושרה הפוך לשדה החיצוני. אם השטף קטן, השדה המושרה באותו כיוון.
4. מה כיוון הזרם? לפי כלל יד ימין: האגודל בכיוון השדה המושרה בתוך הלולאה, והאצבעות המעוקלות מראות את כיוון הזרם.

מגנט וטבעת: ארבעה מקרים

מה קורה	השטף דרך הטבעת	הקוטב שהטבעת מציגה למגנט	הכוח על המגנט
קוטב צפוני מתקרב	גדל	צפוני	דחייה
קוטב צפוני מתרחק	קטן	דרומי	משיכה
קוטב דרומי מתקרב	גדל	דרומי	דחייה
קוטב דרומי מתרחק	קטן	צפוני	משיכה

שימו לב לדפוס: מגנט שמתקרב תמיד נדחה, ומגנט שמתרחק תמיד נמשך. הטבעת “לא רוצה” שום שינוי, ולכן היא מתנגדת לתנועה בכל כיוון. אם הטבעת חתוכה, אין בה זרם, ואין שום כוח.

למה זה חייב להיות כך

נניח לרגע שהזרם המושרה היה זורם הפוך, ועוזר לשינוי. אז מגנט שמתקרב לטבעת היה נמשך אליה, מאיץ, יוצר זרם גדול יותר, נמשך חזק יותר, וכך הלאה, בלי שאף אחד משקיע עבודה. זו מכונה שמייצרת אנרגיה יש מאין, וזה סותר את חוק שימור האנרגיה.

מכיוון שהזרם מתנגד לתנועה, צריך להשקיע עבודה כדי לדחוף את המגנט נגד הדחייה. העבודה הזאת היא בדיוק האנרגיה שהופכת לזרם חשמלי, ובסוף לחום בטבעת. לכן קשה יותר לסובב גנרטור כשמחברים אליו מכשירים שצורכים זרם.

תרגיל פתור

הנתונים: לולאה ריבועית אחת, שאורך הצלע שלה 10 סנטימטר וההתנגדות שלה 0.5 אוהם, מונחת על הדף. שדה מגנטי אחיד, שכיוונו לתוך הדף, גדל בקצב קבוע מ־0.2 טסלה ל־0.6 טסלה בתוך 0.1 שנייה.
השאלה: מה הכא״מ המושרה? מה הזרם בלולאה? ובאיזה כיוון הוא זורם, למי שמסתכל על הדף?

1. שטח הלולאה: A = 0.1 · 0.1 = 0.01 m²
2. השינוי בשטף: ΔΦ = A · ΔB = 0.01 · (0.6 − 0.2) = 0.004 Wb
3. הכא״מ: |ε| = ΔΦ / Δt = 0.004 / 0.1 = 0.04 V
4. הזרם: I = ε / R = 0.04 / 0.5 = 0.08 A
5. הכיוון: השדה החיצוני לתוך הדף והשטף גדל, ולכן השדה המושרה בתוך הלולאה יוצא מהדף. לפי כלל יד ימין, אגודל מחוץ לדף, והאצבעות מסתובבות נגד כיוון השעון.

התשובה: הכא״מ המושרה הוא 0.04 וולט, והזרם 0.08 אמפר. למי שמסתכל על הדף, הזרם זורם נגד כיוון השעון. ε = 0.04 V · I = 0.08 A · נגד כיוון השעון

חוק לנץ מסביבנו

• בלמים מגנטיים

  בחלק ממתקני השעשועים ובחלק מהרכבות יש בלמים מגנטיים: לוחות מתכת שעוברים בין מגנטים חזקים. בלוחות נוצרים זרמי מערבולת, ולפי חוק לנץ הם מאטים את התנועה, בלי מגע ובלי שחיקה.

• מגנט בצינור נחושת

  נחושת לא נמשכת למגנטים. ובכל זאת, מגנט חזק שנופל בתוך צינור נחושת יורד לאט מאוד. הזרמים שהוא משרה בדופן הצינור יוצרים שדה שמתנגד לנפילה שלו.

• גנרטור שקשה לסובב

  כשמסובבים גנרטור של אופניים בלי לחבר אליו פנס, הוא מסתובב בקלות. כשהפנס מחובר וזורם זרם, צריך לדווש חזק יותר. זה חוק לנץ: הזרם מתנגד לסיבוב, והעבודה הנוספת הופכת לאור.

שאלות נפוצות

מה אומר חוק לנץ?

שהזרם המושרה זורם בכיוון שבו השדה המגנטי שלו מתנגד לשינוי בשטף שיצר אותו.

מי ניסח את חוק לנץ?

הפיזיקאי היינריך לנץ, ב־1834, שלוש שנים אחרי שמייקל פאראדיי גילה את ההשראה האלקטרומגנטית.

מה הקשר בין חוק לנץ לחוק פאראדיי?

חוק פאראדיי נותן את גודל הכא״מ המושרה, וחוק לנץ נותן את הכיוון שלו. בנוסחה ε = −N·ΔΦ/Δt, הסימן מינוס הוא חוק לנץ.

למה חוק לנץ נובע משימור אנרגיה?

אילו הזרם המושרה היה עוזר לשינוי, הוא היה מגביר את עצמו בלי שום השקעה של עבודה, וזה סותר את שימור האנרגיה. לכן הזרם חייב להתנגד לשינוי.

מה זה זרמי מערבולת?

זרמים מושרים שנוצרים בתוך גוש של מתכת, ולא בתוך תיל, כשהשטף דרכו משתנה. לפי חוק לנץ הם מתנגדים לתנועה. משתמשים בהם בבלמים מגנטיים ובכיריים אינדוקציה.

כיוון הזרם המושרה עדיין מבלבל?

בקורס החשמל והמגנטיות יש פרק שלם על השראה אלקטרומגנטית, עם שיעורים על כא״מ מושרה ועל שטף מגנטי, ולפניו פרק על מקורות השדה המגנטי. לכל תרגיל יש פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס החשמל והמגנטיות

או מתחילים בחינם: ספר החשמל והמגנטיות, להורדה