Lenzin laki selittää, miten sähkömagneettiset ilmiöt noudattavat energian säilymisen periaatetta ja miksi indusoitu sähkövirta aina pyrkii vastustamaan magneettivuon muutosta. Laki on nimetty venäläisen fyysikon Emil Lenzin mukaan. Perusmuoto sanallisesti:
Indusoitu sähkömotorinen voima (emf) synnyttää aina virran, jonka magneettikenttä vastustaa alkuperäisen magneettivuon muutosta.
Matemaattinen muoto
Faradayn induktiolain avulla Lenzin laki ilmaistaan negatiivisella merkkinä:
E = - ∂ Φ B ∂ t {\displaystyle {\mathcal {E}}=-{\frac {\partial \Phi _{\mathrm {B}} }}{{\partial t}}}} 
,
missä ΦB on magneettivuo kelan tai silmukan läpi ja ℰ indusoitu sähkömotorinen voima (jolla mitataan indusoidun jännitteen suuruutta). Negatiivinen merkki ilmaisee, että indusoitu emf on vastakkaissuuntaista magneettivuon muutosta aiheuttavaan prosessiin nähden. Jos käämi sisältää N kierrosta, ℰ = -N dΦB/dt.
Fysikaalinen selitys
Lenzin laki voidaan perustella energian säilymisen periaatteella: indusoitu emf tekee työtä siten, että se vastustaa vuon muutosta. Jos merkki olisi vastakkainen, järjestelmä tuottaisi ääretöntä energiaa itsestään (positiivinen palautekierto), mikä rikkoisi energian säilymisen. Makrotasolla Maxwellin yhtälöistä johtuva kiertosähkökentän yhtälö ∇×E = -∂B/∂t antaa saman suuntavaatimuksen: muuttuva magneettikenttä synnyttää kiertosuuntaan olevia sähkökenttiä, jotka pyrkivät vastustamaan muutosta.
Käytännön esimerkkejä ja havainnot
- Kun magneetti viedään lähelle johtorenkaata tai kelaa, muuttuva magneettivuo indusoi virran. Jos magneetti lähestyy, indusoitu virta tuottaa magneettikentän, joka vastustaa lähestymistä (eli kääntyy niin, että sen kenttä hylkii lähestyvää magneettia).
- Jos akku yhdistetään kelaan ja virta alkaa kasvaa myötäpäivään, Lenzin laki kertoo, että kelaan indusoitu emf pyrkii muodostamaan vastakkaissuuntaisen virran (vastapäivään) — tätä kutsutaan vaste-emf:ksi. Vastaavasti virran katketessa indusoitu emf pyrkii pitämään virran käynnissä (selittää esimerkiksi katkaisimissa syntyvän kipinöinnin).
- Itseinduktanssi: kelan oma magneettikenttä aiheuttaa emf:n ℰ = -L dI/dt, missä L on induktanssi. Induktorissa varastoitu energia on U = ½ L I².
- Eddy-virrat (pyörrevirrat): muuttuvat magneettikentät synnyttävät johtavissa kappaleissa pyörrevirtoja, jotka tuottavat vastakkaisen kentän. Tämä ilmiö aiheuttaa lämpöhäviöitä (Joule-tappio) ja sitä hyödynnetään esimerkiksi induktiolämmityksessä, mutta se on myös syy magneettisiin jarruihin ja häviöihin muuntajissa.
- Sähkökoneissa syntyvä takaisin-emf eli back-EMF on Lenzin lain seuraus: pyörivä moottori generaattorina tuottaa jännitteen, joka vastustaa syöttöjännitteen aiheuttamaa virtaa, mikä rajoittaa virran suuruutta koneen toiminnassa.
Suuntasäännöt
Suunnan päättelyssä käytetään usein oikean käden sääntöä: käämin läpi kulkeva virta määrittää magneettikentän suunnan, ja kun magneettivuo pyrkii muuttumaan, indusoitu virta on sellainen, että sen kenttä pyrkii vähentämään tätä muutosta. Esimerkkinä textissä mainittu tapaus: jos B on poispäin piiristä ja piirin pinta-ala pienenee, indusoitu virta kulkee siten, että se tuottaa B:n suuntaisen kentän (eli myös ulospäin) — näin se kompensoi vuon pienenemistä.
Energia ja vakaus
Ilman Lenzin lakia systeemi voisi toimia positiivisena palautteena ja tuottaa kasvavaa virtaa ja energiaa ilman rajoitusta. Lenzin laki takaa sen, että muuttuvat kentät kuljettavat energiaa siten, että kokonaisenergia säilyy: induktiiviseen prosessiin liittyy työn tekeminen (esim. kun saatetaan muuttaa virtaa, on tehtävä työtä joko käämiä vastaan tai käämi tekee työtä ulkoista piiriä kohtaan). Näin voitaisiin kantaa argumentti energian säilymisen periaatteesta suoraan Lenzin lain puolesta.
Yhteys muihin periaatteisiin
Tätä Lenzin lain yleistystä kutsutaan Le Chatelierin periaatteeksi: kun tasapainossa oleva järjestelmä häiriintyy, se pyrkii siirtymään suuntaan, joka kumoaa häiriön vaikutuksen. Vaikka Le Châtelierin periaate kuuluu kemian termodynamiikan puolelle, sama ajattelutapa — systeemin vaste, joka pyrkii vastustamaan ulkoista muutosta — heijastuu myös sähkömagneettisissa ilmiöissä.
Yhteenveto
Lenzin laki on käytännöllinen ja teoreettinen opas siihen, miten indusoitu emf suuntautuu: se on aina sellainen, että se vastustaa magneettivuon muutosta, jonka se aiheuttaa. Laki ilmenee Faradayn laissa negatiivisena merkkinä, näkyy itseinduktanssina ja selittää monia arkipäivän ilmiöitä kuten kipinöintiä, takaisin-emf:ää ja magneettisia jarruja. Se on myös ilmentymä energian säilymisen periaatteesta ja seuraus Maxwellin yhtälöistä.
