Faradayův Zákon Indukce popisuje, jak elektrický proud vytváří magnetické pole a naopak, jak měnící se magnetické pole vytváří elektrický proud ve vodiči. Anglický fyzik Michael Faraday dostane úvěr pro objevování magnetické indukce v roce 1830; nicméně, Americký fyzik Joseph Henry, a to nezávisle učinil stejný objev o stejné době, v závislosti na University of Texas.
není možné přeceňovat význam Faradayova objevu., Magnetická indukce umožňuje elektromotory, generátory a transformátory, které tvoří základ moderní technologie. Pochopením a použitím indukce máme elektrickou síť a mnoho věcí, které do ní zapojujeme.
Faradayův zákon byl později začleněn do komplexnější Maxwellovy rovnice, podle Michaela Dubson, profesor fyziky na University of Colorado Boulder., Maxwellovy rovnice byly vyvinuty Skotský fyzik James Clerk Maxwell vysvětlit vztah mezi elektřinou a magnetismem, v podstatě sjednotil je do jednoho elektromagnetu síly a popisujících elektromagnetické vlny, které vytvářejí rádiové vlny, viditelné světlo, a X-paprsky.
elektřina
elektrický náboj je podle Rochester Institute of Technology základní vlastností hmoty. I když je obtížné popsat, co to vlastně je, jsme docela obeznámeni s tím, jak se chová a interaguje s jinými náboji a poli., Elektrické pole z lokalizovaného bodového náboje je podle Serifa Urana, profesora fyziky na Pittsburské státní univerzitě, relativně jednoduché. On popisuje to jako vyzařující rovnoměrně ve všech směrech, jako světlo od holé žárovky a snížení v síle jako inverzní čtvercem vzdálenosti (1/r2), v souladu s Coulombův Zákon. Když se pohybujete dvakrát tak daleko, síla pole klesá na jednu čtvrtinu,a když se pohybujete třikrát dál, snižuje se na jednu devátou.
protony mají kladný náboj, zatímco elektrony mají záporný náboj., Protony jsou však většinou imobilizovány uvnitř atomových jader, takže úloha přenosu náboje z jednoho místa na druhé je řešena elektrony. Elektrony ve vodivém materiálu, jako je kov, se z velké části volně pohybují z jednoho atomu do druhého podél jejich vodivých pásem, což jsou nejvyšší elektronové oběžné dráhy. Dostatečný elektromotorická síla (emf), nebo napětí, vytváří poplatku nerovnováha, která může způsobit, že elektrony se pohybují přes dirigent od oblasti negativní náboj do regionu více pozitivní náboj. Tento pohyb je to, co rozpoznáváme jako elektrický proud.,
magnetismus
abychom pochopili Faradayův zákon indukce, je důležité mít základní pochopení magnetických polí. Ve srovnání s elektrickým polem je magnetické pole složitější. Zatímco pozitivní a negativní elektrické náboje mohou existovat samostatně, magnetické póly vždy přicházejí ve dvojicích – jeden sever a jeden jih, podle San Jose State University. Magnety všech velikostí — od subatomárních částic po magnety průmyslové velikosti po planety a hvězdy-jsou obvykle dipóly, což znamená, že každý z nich má dva póly., Tyto póly nazýváme na sever a na jih po směru, kterým směřují kompasové jehly. Zajímavé je, protože opačné póly se přitahují, a jako póly odpuzují, magnetický severní pól Země je ve skutečnosti jižní magnetický pól, protože to přitahuje severní póly kompasu jehly.
magnetické pole je často zobrazováno jako čáry magnetického toku. V případě barového magnetu, linie toku vystupují ze severního pólu a zakřivují se kolem, aby se vrátily na jižní pól., V tomto modelu představuje počet linií toku procházejících daným povrchem v prostoru hustotu toku nebo sílu pole. Je však třeba poznamenat, že se jedná pouze o model. Magnetické pole je hladké a spojité a ve skutečnosti nespočívá v diskrétních liniích.
Země je magnetické pole produkuje obrovské množství magnetického toku, ale je rozptýlen přes obrovský objem prostoru., Proto pouze malé množství toku prochází danou oblastí, což vede k relativně slabému poli. V porovnání tok z lednice magnet je malý ve srovnání se zemí, ale její intenzita pole je několikrát silnější zblízka, kde jeho tok linky jsou mnohem více hustě zabalené. Pole se však rychle stává mnohem slabší, když se vzdalujete.
indukce
Pokud spustíme elektrický proud drátem, vytvoří magnetické pole kolem drátu. Směr tohoto magnetického pole může být určen pravostranným pravidlem., Podle oddělení fyziky na Buffalo State University of New York, pokud jste rozšířit svůj palec a kroutit prsty na pravé ruce, palcem bodů v kladném směru proudu, a vaše prsty lokny v severním směru magnetického pole.
Pokud ohnete drát do smyčky, linie magnetického pole se s ním ohnou a vytvoří toroid nebo tvar koblihy., V tomto případě, váš palec body v severním směru magnetického pole vycházející ze středu smyčky, zatímco vaše prsty budou ukazovat v pozitivním směru proudu ve smyčce.
Když jsme se spustit proud přes drát smyčky v magnetickém poli, vzájemné působení těchto magnetické pole bude působit kroucení síla, nebo točivý moment, na smyčky, což způsobuje, že se otáčí, v závislosti na Rochester Institute of Technology. Zatím se však bude otáčet pouze do zarovnání magnetických polí. Pokud chceme, aby smyčka pokračovala v otáčení, musíme obrátit směr proudu, který zvrátí směr magnetického pole ze smyčky., Smyčka se pak otáčí o 180 stupňů, dokud není její pole zarovnáno v opačném směru. To je základ pro elektromotor.
naopak, pokud otočíme drátěnou smyčku v magnetickém poli, pole vyvolá elektrický proud v drátu. Směr proudu se bude otáčet každou polovinou otáčení a vytváří střídavý proud. To je základ pro elektrický generátor. Je třeba poznamenat, že to není pohyb drátu, ale spíše otevření a uzavření smyčky vzhledem ke směru pole, který indukuje proud., Když je smyčka obrácena k poli, prochází smyčkou maximální množství toku. Když je však smyčka otočena k poli, smyčky neprocházejí žádné čáry toku. Právě tato změna množství toku procházejícího smyčkou indukuje proud.
dalším experimentem, který můžeme provést, je vytvoření drátu do smyčky a připojení konců k citlivému měřiči proudu nebo galvanometru. Pokud potom zatlačíme tyčový magnet smyčkou, jehla v galvanometru se bude pohybovat, což indikuje indukovaný proud., Jakmile však zastavíme pohyb magnetu, proud se vrátí na nulu. Pole z magnetu vyvolá proud pouze tehdy, když se zvyšuje nebo snižuje. Pokud vytáhneme magnet zpět, znovu vyvolá proud v drátu, ale tentokrát to bude v opačném směru.
Pokud bychom měli dát žárovku v obvodu, to by se rozptýlit elektrické energie ve formě světla a tepla, a budeme se cítit odpor k pohybu magnetu tak jsme se přesunuli dovnitř a ven ze smyčky. Abychom mohli pohybovat magnetem, musíme dělat práci, která je ekvivalentní energii, kterou používá žárovka.
V dalším experimentu jsme mohli postavit dvě smyčky drátu, připojte konce jedné baterie s přepínačem, a připojte konce druhé smyčky na galvanometr., Pokud umístíme dvě smyčky blízko sebe, tváří v tvář, orientace, a my zapněte napájení do první smyčky, galvanometr připojen k druhé smyčky bude znamenat indukovaný proud a pak se rychle vrátit na nulu.
Co se tady děje, je, že proud v první smyčce vytváří magnetické pole, které pak indukuje proud v druhé smyčky, ale pouze na okamžik, když se magnetické pole mění. Když vypínač vypnete, měřič se na okamžik vychýlí v opačném směru., To je další známkou toho, že je to změna intenzity magnetického pole, a nikoli jeho síla nebo pohyb, který indukuje proud.
vysvětlení je, že magnetické pole způsobuje pohyb elektronů ve vodiči. Tento pohyb je to, co známe jako elektrický proud. Nakonec však elektrony dosáhnou bodu, kdy jsou v rovnováze s polem, v kterém okamžiku se přestanou pohybovat. Pak, když je pole odstraněno nebo Vypnuto, elektrony budou proudit zpět do původního umístění a vytvářet proud v opačném směru.,
na Rozdíl od gravitační nebo elektrické pole, magnetické pole dipólu je více komplexní 3-dimenzionální struktura, která se liší v síle a směru podle místa, kde se měří, tak to vyžaduje kalkul popsat to plně. Nicméně, můžeme popsat na zjednodušeném případě homogenním magnetickém poli — například, velmi malá část z velmi velké pole — jako ΦB = BA, kde ΦB je absolutní hodnota magnetického toku, B je síla pole, a je definována oblast, kterou pole prochází., Naopak, v tomto případě je síla magnetického pole, je tok na jednotku plochy, nebo B = ΦB/A.
Faradayův Zákon
Nyní máme základní znalosti o magnetické pole, jsme připraveni definovat Faradayův Zákon Indukce. Uvádí, že indukované napětí v obvodu je úměrné rychlosti změny v čase magnetického toku tímto obvodem. Jinými slovy, čím rychleji se změní magnetické pole, tím větší bude napětí v obvodu. Směr změny magnetického pole určuje směr proudu.,
můžeme zvýšit napětí zvýšením počtu smyček v obvodu. Indukované napětí v cívce se dvěma smyčkami bude dvakrát větší než u jedné smyčky a se třemi smyčkami bude trojnásobné. To je důvod, proč skutečné motory a generátory mají obvykle velké množství cívek.
teoreticky jsou motory a generátory stejné. Pokud otočíte motor, bude vyrábět elektřinu a použije napětí na generátor, způsobí to, že se otočí. Většina skutečných motorů a generátorů je však optimalizována pouze pro jednu funkci.,
transformátory
Další důležitou aplikací Faradayova indukčního zákona je transformátor, vynalezený Nikolou Teslou. V tomto zařízení se střídavý proud, který mění směr mnohokrát za sekundu, posílá přes cívku zabalenou kolem magnetického jádra. To vytváří měnící se magnetické pole v jádru, které zase indukuje proud v druhé cívce zabalené kolem jiné části stejného magnetického jádra.,
poměr počtu závitů cívky určuje poměr napětí mezi vstupní a výstupní proud. Například, pokud budeme mít transformátor s 100 závitů na vstupní straně a 50 závitů na výstupní straně, a my vstupní střídavý proud na 220 voltů, výstup bude 110 voltů., Podle Hyperfyziky transformátor nemůže zvýšit výkon, což je produkt napětí a proudu, takže pokud je napětí zvýšeno, proud je úměrně snížen a naopak. V našem příkladu by vstup 220 voltů při 10 zesilovačích nebo 2 200 wattech produkoval výkon 110 voltů při 20 zesilovačích, opět 2 200 wattech. V praxi nejsou transformátory nikdy dokonale účinné, ale dobře navržený transformátor má podle Texaské univerzity obvykle ztrátu energie jen o několik procent.,
transformátory umožňují elektrickou síť, na které jsme závislí pro naši průmyslovou a technologickou společnost. Běžecké přenosové vedení pracují na stovkách tisíc voltů, aby přenášely více energie v rámci proudových limitů vodičů. Toto napětí je odstoupil opakovaně pomocí transformátorů v distribučních rozvodnách, dokud nedosáhne svého domu, kde je konečně odstoupil na 220 a 110 voltů, které mohou spustit svůj elektrický sporák a počítače.