Faradays Induktionslov beskriver, hvordan en elektrisk strøm producerer et magnetfelt, og omvendt, hvordan et skiftende magnetfelt genererer en elektrisk strøm i en leder. Engelske fysiker Michael Faraday får æren for at opdage magnetisk induktion i 1830; dog, en Amerikansk fysiker og nobelprismodtager, Joseph Henry, uafhængigt gjort den samme opdagelse om den samme tid, ifølge University of Texas.
det er umuligt at overvurdere betydningen af Faradays opdagelse., Magnetisk induktion muliggør de elektriske motorer, generatorer og transformatorer, der danner grundlaget for moderne teknologi. Ved at forstå og bruge induktion har vi et elektrisk strømnet og mange af de ting, vi tilslutter det.Faradays lov blev senere indarbejdet i de mere omfattende Ma.equells ligninger, ifølge Michael Dubson, professor i fysik ved University of Colorado Boulder., Maxwell ‘ s ligninger blev udviklet af den Skotske fysiker James Clerk Maxwell til at forklare forholdet mellem elektricitet og magnetisme, det væsentlige at forene dem i en enkelt elektromagnetiske kraft og beskriver de elektromagnetiske bølger, der gør op radiobølger, synligt lys, og X-stråler.
elektricitet
elektrisk ladning er en grundlæggende egenskab af materie, ifølge Rochester Institute of Technology. Selvom det er vanskeligt at beskrive, hvad det faktisk er, er vi ganske fortrolige med, hvordan det opfører sig og interagerer med andre afgifter og felter., Det elektriske felt fra en lokaliseret punktladning er relativt simpelt, ifølge Serif Uran, professor i fysik ved Pittsburg State University. Han beskriver det som at udstråle lige i alle retninger, som lys fra en nøgen pære, og faldende i styrke som den omvendte firkant af afstanden (1/r2) i overensstemmelse med Coulombs lov. Når du bevæger dig DOBBELT så langt væk, falder feltstyrken til en fjerdedel, og når du bevæger dig tre gange længere væk, falder den til en niende. protoner har positiv ladning, mens elektroner har negativ ladning., Imidlertid er protoner for det meste immobiliseret inde i atomkerner, så jobbet med at transportere ladning fra et sted til et andet håndteres af elektroner. Elektroner i et ledende materiale, såsom et metal, er stort set fri til at bevæge sig fra et atom til et andet langs deres ledningsbånd, som er de højeste elektronbaner. En tilstrækkelig elektromotorisk kraft (emf) eller spænding producerer en ladningsubalance, der kan forårsage, at elektroner bevæger sig gennem en leder fra et område med mere negativ ladning til et område med mere positiv ladning. Denne bevægelse er det, vi genkender som en elektrisk strøm.,
magnetisme
for at forstå Faradays lov om induktion er det vigtigt at have en grundlæggende forståelse af magnetfelter. Sammenlignet med det elektriske felt er magnetfeltet mere komplekst. Mens positive og negative elektriske ladninger kan eksistere separat, magnetiske poler kommer altid parvis — en Nord og en syd, ifølge San Jose State University. Typisk er magneter i alle størrelser-fra subatomære partikler til magneter i industriel størrelse til planeter og stjerner-dipoler, hvilket betyder, at de hver har to poler., Vi kalder disse poler nord og syd efter den retning, i hvilken kompasnåle peger. Interessant, da modsatte poler tiltrækker, og som poler frastøder, er Jordens magnetiske nordpol faktisk en sydmagnetisk pol, fordi den tiltrækker nordpolen af kompasnåle.
et magnetfelt er ofte afbildet som linjer af magnetisk Flu.. I tilfælde af en bar magnet, Flu lines linjer e .it fra Nordpolen og kurve rundt for at genindtaste på Sydpolen., I denne model repræsenterer antallet af Flu lineslinjer, der passerer gennem en given overflade i rummet, Flu densitydensiteten eller feltets styrke. Det skal dog bemærkes, at dette kun er en model. Et magnetfelt er glat og kontinuerligt og består faktisk ikke af diskrete linjer.
Jordens magnetiske felt, der producerer en enorm mængde af magnetisk flux, men det er spredt over et stort volumen af rummet., Derfor passerer kun en lille mængde Flu.gennem et givet område, hvilket resulterer i et relativt svagt felt. Til sammenligning er Flu .en fra en Køleskabsmagnet lille sammenlignet med jordens, men dens feltstyrke er mange gange stærkere på tæt hold, hvor dens Flu .linjer er meget tættere pakket. Feltet bliver dog hurtigt meget svagere, når du bevæger dig væk.
induktion
Hvis vi kører en elektrisk strøm gennem en ledning, producerer den et magnetfelt omkring ledningen. Retningen af dette magnetfelt kan bestemmes af højre regel., Ifølge fysikafdelingen ved Buffalo State University of ne.York, hvis du forlænger tommelfingeren og krøller fingrene på din højre hånd, peger tommelfingeren i den positive retning af strømmen, og dine fingre krøller i den nordlige retning af magnetfeltet.
Hvis du bøjer ledningen i en løkke, bøjes magnetfeltlinjerne med den og danner en toroid eller donutform., I dette tilfælde peger tommelfingeren i den nordlige retning af magnetfeltet, der kommer ud af midten af sløjfen, mens fingrene peger i den positive retning af strømmen i sløjfen.
Hvis vi kører en strøm gennem en trådsløjfe i et magnetfelt, vil interaktionen mellem disse magnetfelter udøve en drejningskraft eller drejningsmoment på løkken, der får den til at rotere, ifølge Rochester Institute of Technology. Det vil dog kun rotere så langt, indtil magnetfelterne er justeret. Hvis vi ønsker, at sløjfen skal fortsætte med at rotere, er vi nødt til at vende retningen af strømmen, som vil vende retningen af magnetfeltet fra sløjfen., Sløjfen roterer derefter 180 grader, indtil dens felt er justeret i den anden retning. Dette er grundlaget for den elektriske motor. omvendt, hvis vi roterer en trådsløjfe i et magnetfelt, vil feltet fremkalde en elektrisk strøm i ledningen. Retningen af strømmen vil vende hver halve tur, der producerer en vekselstrøm. Dette er grundlaget for den elektriske generator. Det skal her bemærkes, at det ikke er bevægelsen af ledningen, men snarere åbningen og lukningen af løkken med hensyn til retningen af feltet, der inducerer strømmen., Når løkken vender mod feltet, passerer den maksimale mængde Flu.gennem løkken. Men når løkken drejes kant-on til feltet, Ingen Flu.linjer passere gennem løkken. Det er denne ændring i mængden af Flu., der passerer gennem sløjfen, der inducerer strømmen.
et andet eksperiment, vi kan udføre, er at danne en ledning i en løkke og forbinde enderne til en følsom strømmåler eller galvanometer. Hvis vi så skubber en stangmagnet gennem løkken, vil nålen i galvanometeret bevæge sig, hvilket indikerer en induceret strøm., Men når vi stopper magnetens bevægelse, vender strømmen tilbage til nul. Feltet fra magneten vil kun fremkalde en strøm, når det er stigende eller faldende. Hvis vi trækker magneten ud igen, vil den igen fremkalde en strøm i ledningen, men denne gang vil den være i den modsatte retning.
Hvis vi skulle sætte en pære i kredsløb, ville det sprede elektrisk energi i form af lys og varme, og vi ville føle modstand mod bevægelse af magneten, da vi flyttede ind og ud af løkken. For at flytte magneten skal vi udføre arbejde, der svarer til den energi, der bruges af pæren.
i endnu et eksperiment kan vi konstruere to trådsløjfer, forbinde enderne af den ene til et batteri med en s .itch og forbinde enderne af den anden sløjfe til et galvanometer., Hvis vi placerer de to sløjfer tæt på hinanden i en ansigt til ansigt orientering, og vi tænder strømmen til den første sløjfe, vil galvanometeret, der er forbundet med den anden sløjfe, indikere en induceret strøm og derefter hurtigt vende tilbage til nul.
hvad der sker her er, at strømmen i den første sløjfe producerer et magnetfelt, som igen inducerer en strøm i den anden sløjfe, men kun et øjeblik, når magnetfeltet ændrer sig. Når du slukker for kontakten, afbøjes måleren øjeblikkeligt i den modsatte retning., Dette er yderligere tegn på, at det er ændringen i magnetfeltets intensitet, og ikke dens styrke eller bevægelse, der inducerer strømmen.
forklaringen på dette er, at et magnetfelt får elektroner i en leder til at bevæge sig. Denne bevægelse er, hvad vi kender som elektrisk strøm. Til sidst når elektronerne et punkt, hvor de er i ligevægt med feltet, på hvilket tidspunkt de vil stoppe med at bevæge sig. Når feltet derefter fjernes eller slukkes, strømmer elektronerne tilbage til deres oprindelige placering og producerer en strøm i den modsatte retning.,
i modsætning til et gravitations-eller elektrisk felt er et magnetisk dipolfelt en mere kompleks 3-dimensionel struktur, der varierer i styrke og retning afhængigt af det sted, hvor det måles, så det kræver beregning at beskrive det fuldt ud. Men vi kan beskrive en forenklet tilfælde af en ensartet magnetfelt — for eksempel, en meget lille del af et meget stort felt — som ΦB = BA, hvor ΦB er den absolutte værdi af den magnetiske flux, B er styrken af feltet, og er et defineret område igennem, hvor feltet passerer., Enhedsareal, eller B = .b/A.
Faradays lov
nu hvor vi har en grundlæggende forståelse af magnetfeltet, er vi klar til at definere Faradays Induktionslov. Det hedder, at den inducerede spænding i et kredsløb er proportional med ændringshastigheden over tid af den magnetiske Flu.gennem dette kredsløb. Med andre ord, jo hurtigere magnetfeltet ændres, jo større bliver spændingen i kredsløbet. Retningen af ændringen i magnetfeltet bestemmer retningen af strømmen.,
Vi kan øge spændingen ved at øge antallet af sløjfer i kredsløbet. Den inducerede spænding i en spole med to sløjfer vil være dobbelt så stor som med en sløjfe, og med tre sløjfer bliver den tredobbelt. Dette er grunden til, at rigtige motorer og generatorer typisk har et stort antal spoler.
i teorien er motorer og generatorer de samme. Hvis du drejer en motor, vil den generere elektricitet, og ved at anvende spænding på en generator vil den få den til at dreje. Imidlertid er de fleste rigtige motorer og generatorer optimeret til kun en funktion.,
transformere
en anden vigtig anvendelse af Faradays Induktionslov er transformeren, opfundet af Nikola Tesla. I denne enhed sendes vekselstrøm, som ændrer retning mange gange i sekundet, gennem en spole indpakket omkring en magnetisk kerne. Dette frembringer et skiftende magnetfelt i kernen, hvilket igen inducerer en strøm i anden spole viklet omkring en anden del af den samme magnetiske kerne.,
forholdet mellem antallet af vindinger i de spoler, der bestemmer forholdet mellem spænding mellem input-og output-strømmen. For eksempel, hvis vi tager en transformer med 100 omdrejninger på indgangssiden og 50 omdrejninger på udgangssiden, og vi indtaster en vekselstrøm ved 220 volt, vil udgangen være 110 volt., Ifølge Hyperfysik kan en transformer ikke øge effekten, hvilket er produktet af spænding og strøm, så hvis spændingen hæves, sænkes strømmen proportionalt og omvendt. I vores eksempel ville en indgang på 220 volt ved 10 ampere eller 2,200 .att producere en ydelse på 110 volt ved 20 ampere, igen 2,200 .att. I praksis er transformatorer aldrig helt effektive, men en veldesignet transformer har typisk et effekttab på kun få procent, ifølge University of Te .as.,
transformatorer muliggør det elektriske net, vi er afhængige af for vores Industrielle og teknologiske samfund. Langrendstransmissionsledninger fungerer ved hundreder af tusinder af volt for at overføre mere strøm inden for ledningernes strømførende grænser. Denne spænding nedtrappes gentagne gange ved hjælp af transformatorer på distributionsstationer, indtil den når dit hus, hvor den endelig nedtrappes til 220 og 110 volt, der kan køre din elektriske komfur og computer.