什么是楞次定律?为什么它是正确的?

1839年,迈克尔·法拉第 (Michael Faraday) 证明,当电池供电时,缠绕在金属环一侧的金属丝会让另一侧的金属丝产生感应电流。这种能量的无线传输——就像变魔术一样——从连接到第二个线圈的电流计(一种用来测量电流的设备)读数的突然增高中,可以被明显地看到。
法拉第的装置
图解:法拉第的装置
法拉第演示无线能量传输的装置。
在这个证明之前,汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Oersted)已经证明了变化的电场会产生磁场,现在法拉第(Faraday)证明了反之亦然:变化的磁场会产生电场。变化是这里的关键词:法拉第必须不停地连接和断开第一个线圈的电池,才能在第二个线圈中产生恒定电流。如果磁场在导线周围没有变化或波动,就不会有电场产生,因此也就不会有电流。
法拉第电磁感应定律的公式表达为:
法拉第电磁感应定律
图解:法拉第电磁感应定律
根据公式, 在线圈中产生感应电动势ε是由于磁通量的变化率(Δφ/Δt) ,即遍及地区“A”的磁场“B”的变化率。感应电动势也是线圈的圈数或匝数“N”产生的效果,原因很简单,匝数的个数决定了磁场穿过电路的次数。然而,负号代表的是什么呢?
负号象征着物理学家海因里希·伦茨(Heinrich Lenz)提出的楞次定律,根据该定律,感应电流的方向是这样的,即该电流产生的磁场与它赖以存在的磁通量的变化是抵抗的。或者,正如D.J.格里菲思 (D.J. Griffiths)简单总结的那样:大自然厌恶变化中的变化。然而,为什么是这样的呢?

为什么楞次定律是正确的

自然并不厌恶或赞同变化中的变化,该意义是深远的。否则的话,我们就可以造出永动机,这种机器可以在没有能量来源的情况下永久或无限期地工作,也就是产生无限的、无条件的能量……永不停息
永动机
图解:永动机的一个例子。
当然,永动机是不可能造出来的,因为能量的产生是有条件的。它们的行为违反了宇宙的一条基本定律——能量守恒定律。正如物理学教科书一直所言,能源既不能被创造,也不能被毁灭。它只能从一种形式转换到另一种形式,也就是说,一个系统不能创造能量,而只能从一个能源中提取一些能量,而这个能源又是从另一个能源中提取的能量,以此类推。
线圈中感应电能的来源是一个不断变化的磁场,它是由一个移动的磁铁产生的,这个磁铁由人或机器移动,而人又从食物中、机器从燃料中获取能量来移动磁铁,以此类推。一旦资源耗尽,不再有变化的磁场产生,在系统中产生能量或在线圈中产生电流在物理学上是不可能发生的。
然而,如果感应电流产生的磁场不抵制磁通的变化,而是通过贡献磁能来支持磁通的进一步变化,电流就会进一步增多,而不需要线圈从外部的能源中提取更多的能量。这是一顿免费的午餐!
伦茨定律的可视化表现
图解:楞次定律
伦茨定律的可视化表现。(图片来源: Physics LibreTexts)
事实上,电流有复合作用: 这个增加的电流会产生它自己的磁能,这部分磁能也会产生变化的磁场,从而产生一个更大些的电流,又产生一个更大些的磁场,以此往复,直到产生无限的电流。然后,你就可以用一台发电机随意地摇动它周围最小的磁铁,来给宇宙中的每一个设备供电。
这相当于说,一个只是向前推进而不逐渐停止的球,会加速得越来越快,最终达到无穷大的速度,因为它所经历的摩擦不会阻碍它的运动,反而帮它驱动!负号仅仅表示能量的转换服从能量守恒定律。如果一个系统仅仅用它所产生的能量就可以产生更多的能量,那为什么这行不通:

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