La ley de Lenz establece que la dirección de la corriente eléctrica inducida en un conductor por un campo magnético cambiante es tal que el campo magnético creado por la corriente inducida se opone a los cambios en el campo magnético inicial. Recibe su nombre en honor al físico Heinrich Lenz , quien la formuló en 1834. [1]
Es una ley cualitativa que especifica la dirección de la corriente inducida, pero no dice 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 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] y al principio de Le Chatelier en química. [4]
La ley de Lenz establece que:
La corriente inducida en un circuito debido a un cambio en un campo magnético está dirigida a oponerse al cambio de flujo y a 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 FEM inducida en una bobina es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético), [5] donde encuentra expresión mediante el signo negativo:
lo que indica que la fuerza electromotriz inducida y la tasa de cambio en el flujo magnético tienen signos opuestos. [6]
Esto significa que la dirección de la fuerza contraelectromotriz de un campo inducido se opone a la corriente cambiante que la causa. DJ Griffiths lo resumió de la siguiente manera: La naturaleza aborrece los cambios de flujo. [7]
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 ambas son inicialmente 0, entonces las corrientes i 1 e i 2 deben rotar en sentido contrario. Como resultado, las corrientes opuestas se repelerán entre sí.
Los campos magnéticos de imanes potentes pueden crear corrientes contrarrotatorias en un tubo de cobre o aluminio. Esto se demuestra al dejar caer el imán a través del tubo. El descenso del imán dentro del tubo es notablemente más lento que cuando se deja caer fuera del tubo.
Cuando se genera un voltaje por un cambio en el flujo magnético según la ley de Faraday, la polaridad del voltaje inducido es tal que produce una corriente cuyo campo magnético se opone al cambio que lo 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 utilizando la regla de la mano 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. [8] En los ejemplos anteriores, si el flujo aumenta, el campo inducido actúa en oposición a él. Si disminuye, el campo inducido actúa en la dirección del campo aplicado para oponerse al cambio.
En electromagnetismo, cuando las cargas se mueven a lo largo de líneas de campo eléctrico , se realiza trabajo sobre ellas, ya sea almacenando energía potencial (trabajo negativo) o aumentando la energía cinética (trabajo positivo).
Cuando se aplica un trabajo neto positivo a una carga q 1 , esta gana velocidad y momento. El trabajo neto sobre q 1 genera un campo magnético cuya intensidad (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 , transfiriéndole este momento y, a cambio, q 1 pierde momento.
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 ida y vuelta del impulso 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 placa 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 los ferroimanes y los superconductores , esta relación se rompe.
El momento debe conservarse en el proceso, por lo que si q 1 es empujado en una dirección, entonces q 2 debe ser empujado en la otra dirección por la misma fuerza al mismo tiempo. Sin embargo, la situación se vuelve más complicada cuando se introduce la velocidad finita de propagación de la onda electromagnética (ver potencial retardado ). Esto significa que durante un breve período, el momento total de las dos cargas no se conserva, lo que implica que la diferencia debe explicarse por el momento en los campos, como afirmó Richard P. Feynman . [9] El famoso electrodinámico del siglo XIX James Clerk Maxwell llamó a esto el "momento electromagnético". [10] Sin embargo, este tratamiento de los campos puede ser necesario cuando la ley de Lenz se aplica a cargas opuestas. Normalmente se supone que las cargas en cuestión tienen el mismo signo. Si no lo tienen, 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. En un primer momento, esto podría parecer una violación de la ley de conservación del momento, pero se considera que dicha interacción conserva el momento si se tiene en cuenta el momento de los campos electromagnéticos.
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