Faradayn Induktio kuvataan, miten sähkövirta tuottaa magneettikentän ja päinvastoin, miten muuttuva magneettikenttä synnyttää sähkövirran kapellimestari. Englanti fyysikko Michael Faraday saa kunnian löytää magneettinen induktio vuonna 1830; kuitenkin, Amerikkalainen fyysikko Joseph Henry, itsenäisesti tehnyt saman löydön suunnilleen samaan aikaan, mukaan University of Texas.
on mahdotonta liioitella Faradayn löydön merkitystä., Magneettinen induktio mahdollistaa sähkömoottorit, generaattorit ja muuntajat, jotka muodostavat perustan modernin teknologian. Induktion ymmärtämisellä ja hyödyntämisellä meillä on sähköverkko ja monia siihen kytkettyjä asioita.
Faradayn lakia oli myöhemmin osaksi kattavampi Maxwellin yhtälöt, mukaan Michael Dubson, professori fysiikan, University of Colorado-Boulder., Maxwellin yhtälöt olivat kehittänyt Skotlantilainen fyysikko James Clerk Maxwell selittää suhdetta sähkö-ja magnetism, lähinnä yhdistää ne yhdeksi sähkömagneetti voima ja kuvataan sähkömagneettisia aaltoja, jotka muodostavat radio-aallot, näkyvä valo, ja röntgenkuvat.
Sähkön
sähkövaraus on perustavanlaatuinen ominaisuus väliä, mukaan Rochester Institute of Technology. Vaikka se on vaikea kuvailla, mitä se todella on, olemme melko tuttuja, miten se käyttäytyy ja on vuorovaikutuksessa muiden maksujen ja kentät., Sähköinen kenttä on lokalisoitu vaiheessa maksu on suhteellisen yksinkertainen, mukaan Serif Uran, professori fysiikan at Pittsburg State University. Hän kuvailee sitä säteilee ulos kaikkiin suuntiin, kuten valo paljas lamppu, ja vähentää voimaa kuin käänteistä neliöjuurilakia etäisyys (1/r2), mukaisesti Coulombin Laki. Kun siirrät kaksi kertaa niin kaukana, kentän voimakkuus pienenee neljäsosaan, ja kun siirrät kolme kertaa kauempana, se vähentää yhden yhdeksäs.
protoneilla on positiivinen varaus, kun taas elektroneilla on negatiivinen varaus., Protonit ovat kuitenkin enimmäkseen immobilisoituneita atomiytimien sisällä, joten elektronien tehtävänä on kuljettaa varausta paikasta toiseen. Elektronien johtamiseen materiaalia, kuten metalli ovat pääosin vapaasti liikkua alkaen yksi atomi toiseen, sekä niiden johtuminen bändejä, jotka ovat eniten elektroni kiertää. Riittävä sähkömotorinen voima (emf), tai jännite, tuottaa vastaava epätasapaino, joka voi aiheuttaa elektronien liikkua kapellimestari alueelta, enemmän negatiivinen varaus alueelle enemmän positiivinen varaus. Tämän liikkeen tunnistamme sähkövirraksi.,
Magnetism
jotta ymmärtää, Faradayn Laki, Induktio, se on tärkeää olla perustiedot magneettikentistä. Sähkökenttään verrattuna magneettikenttä on monimutkaisempi. Kun positiiviset ja negatiiviset sähkövaraukset voivat olla olemassa erikseen, magneettiset navat tulevat aina pareittain — yksi pohjoiseen ja yksi etelään, mukaan San Jose State University. Tyypillisesti, magneetit kaikki koot — sub-atomi hiukkaset, teollisuus – -koko magneetit planeetat ja tähdet — ovat dipolien, eli kummallakin on kaksi napaa., Kutsumme näitä napoja pohjoiseen ja etelään sen suunnan jälkeen, johon kompassineulat osoittavat. Mielenkiintoista, koska vastakkaista napaa houkutella, ja kuten navat hylkivät, magneettinen pohjoinen napa Maan on itse asiassa etelä magneettinen napa, koska se houkuttelee pohjois-navat kompassi neuloja.
magneettikenttä kuvataan usein magneettivuon viivoina. Jos baari magneetti, flux linjat irtautuminen north pole ja käyrä noin kirjoittaa etelänavalle., Tässä malli, määrä flux linjat kulkee tietyn pinnan avaruudessa edustaa vuon tiheys, tai vahvuus alalla. On kuitenkin huomattava, että tämä on vain malli. Magneettikenttä on sileä ja jatkuva, eikä se todellisuudessa koostu diskreeteistä viivoista.
Maan magneettikenttä tuottaa valtava määrä magneettivuon, mutta se on hajallaan valtava määrä tilaa., Siksi vain pieni määrä flux kulkee tietyn alueen läpi, jolloin suhteellisen heikko kenttä. Vertailun flux jääkaappi magneetti on pieni verrattuna Maapallon, mutta sen voimakkuus on monta kertaa vahvempi lähietäisyydeltä, missä sen flux linjat ovat paljon tiiviimmät. Kenttä kuitenkin heikkenee nopeasti paljon pois siirryttäessä.
Induktio
Jos me ajaa sähkövirta läpi lanka, se tuottaa magneettikentän ympäri lanka. Magneettikentän suunta voidaan määrittää oikeanpuoleisella säännöllä., Mukaan fysiikan laitos Buffalo State University of New York, jos laajentaa peukalolla ja curl sormet oikealla kädellä, peukalo pistettä positiiviseen suuntaan nykyisen, ja sormet curl pohjoisen suuntaan magneettikentän.
Jos et taivuta lanka silmukaksi, magneettikentän linjat taipuvat sen kanssa, muodostaen toroidi, tai donitsi muoto., Tässä tapauksessa, peukalo pistettä pohjoiseen suuntaan magneettikentän tulossa ulos keskellä silmukka, kun sormet osoittavat positiiviseen suuntaan nykyinen silmukka.
Jos meillä on nykyinen kautta johdinsilmukkaa magneettikentässä, vuorovaikutus nämä magneettikentät aiheuttavat kiertämällä voima tai vääntömomentti, silmukka aiheuttaa se kiertää, mukaan Rochester Institute of Technology. Se kuitenkin pyörii vain toistaiseksi, kunnes magneettikentät ovat kohdallaan. Jos haluamme silmukan jatkavan pyörimistä, meidän on käännettävä virran suunta, joka kääntää magneettikentän suunnan silmukasta., Silmukka kiertää sitten 180 astetta, kunnes sen kenttä on linjassa toiseen suuntaan. Tämä on sähkömoottorin perusta.
Toisaalta, jos emme kierrä lanka silmukan magneettikentässä, kenttä indusoi sähkövirran johtimessa. Virran suunta kääntyy puolen kierroksen välein, jolloin syntyy vaihtovirta. Tämä on sähkögeneraattorin perusta. On huomattava, että se ei ole liikkeen johto, vaan avaaminen ja sulkeminen silmukka osalta suunta kenttä, joka indusoi virtaa., Kun silmukka on kasvokkain kenttään, suurin vuon määrä kulkee silmukan läpi. Kun silmukka kuitenkin käännetään laidasta laitaan kentälle, silmukan läpi ei kulje vuojohtoja. Juuri tämä muutos silmukan läpi kulkevan vuon määrässä aiheuttaa virran.
Toinen kokeilu voimme tehdä on muodostaa lanka silmukaksi ja liitä päät herkkä virtamittari, tai galvanometrin. Jos sitten työnnämme baarimagneetin silmukan läpi, galvanometrin neula liikkuu, mikä osoittaa indusoidun virran., Kuitenkin, kun pysäytämme magneetin liikkeen, virta palaa nollaan. Magneettikenttä aiheuttaa virran vasta, kun se kasvaa tai vähenee. Jos vedämme magneetin takaisin ulos, se aiheuttaa taas virran johdossa, mutta tällä kertaa se on vastakkaiseen suuntaan.
Jos me laittaa lamppu piiri, se haihduttaa sähköenergian muodossa valoa ja lämpöä, ja haluamme tuntea vastus liikkeen magneetti kun muutimme sitä sisään ja ulos silmukan. Magneetin liikuttamiseksi on tehtävä työtä, joka vastaa hehkulampun käyttämää energiaa.
vielä toinen kokeilu, voimme rakentaa kaksi lanka silmukoita, kytke päät yksi akku, kytkin ja kytke päät muut silmukan galvanometrin., Jos emme aseta kaksi silmukkaa lähellä toisiaan face-to-face suunta, ja me kytke virta ensimmäiseen silmukkaan, galvanometrin liitetty toinen silmukka osoittavat indusoituneen virran ja sitten nopeasti takaisin nollaan.
Mitä tapahtuu tässä on, että nykyinen ensimmäinen silmukka tuottaa magneettikentän, joka puolestaan indusoi virran toinen silmukka, mutta vain hetkeksi, kun magneettikenttä muuttuu. Kun Kytkimen sammuttaa, mittari taipuu hetkellisesti vastakkaiseen suuntaan., Tämä on osoitus siitä, että se on muutos intensiteetti magneettikentän, eikä sen voimaa tai liikettä, joka saa aikaan virran.
selitys tälle on, että magneettinen kenttä aiheuttaa elektronien johtimen liikkua. Tämän liikkeen tunnemme sähkövirtana. Lopulta, vaikka, elektronit saavuttavat pisteen, jossa ne ovat tasapainossa kentän kanssa, jolloin ne pysähtyy. Sitten kun kenttä poistetaan tai sammutetaan, elektronit virtaavat takaisin alkuperäiseen sijaintiinsa ja tuottavat virran vastakkaiseen suuntaan.,
toisin Kuin painovoiman tai sähkökenttä, magneettinen dipoli kenttä on monimutkaisempi 3-ulotteinen rakenne, joka vaihtelee vahvuus ja suunta sijainnin mukaan, jossa se on mitattu, joten se vaatii calculus kuvaamaan sitä täysin. Voimme kuitenkin kuvailla yksinkertaistettu tapauksessa yhtenäinen magneettikenttä — esimerkiksi, hyvin pieni osa erittäin suuri kenttä — kuin ΦB = BA, jossa ΦB on absoluuttinen arvo magneettivuon, B on vahvuus alalla, ja on määritelty alue, jonka kautta kenttä kulkee., Päinvastoin, tässä tapauksessa vahvuus magneettikentän on valovirta pinta-alayksikköä kohti, tai B = ΦB/A.
Faradayn Laki
Nyt, että meillä on perustiedot magneettikentän, olemme valmiita määrittää Faradayn Induktio. Sen mukaan piirin indusoitu jännite on verrannollinen kyseisen piirin läpi kulkevan magneettivuon ajan vaihtumisnopeuteen. Toisin sanoen, mitä nopeammin magneettikenttä muuttuu, sitä suurempi on jännite piiri. Magneettikentän muutoksen suunta määrittää virran suunnan.,
jännitettä voidaan lisätä lisäämällä kierron silmukoiden määrää. Indusoitu jännite kelassa, jossa on kaksi silmukkaa, on kaksinkertainen yhden silmukan kanssa, ja kolmen silmukan kanssa se on kolminkertainen. Tämän vuoksi todellisissa moottoreissa ja generaattoreissa on tyypillisesti suuri määrä keloja.
teoriassa, moottorit ja generaattorit ovat samat. Jos käynnistät moottorin, se tuottaa sähköä, ja soveltamalla jännite generaattori, se aiheuttaa sen kääntää. Suurin osa todellisista moottoreista ja generaattoreista on kuitenkin optimoitu vain yhtä toimintoa varten.,
Muuntajat
Toinen tärkeä sovellus Faradayn Induktio on muuntaja, keksi Nikola Tesla. Tässä laitteessa vaihtovirta, joka muuttaa suuntaa monta kertaa sekunnissa, lähetetään magneettisen ytimen ympärille kiedotun käämin kautta. Tämä tuottaa muuttuvan magneettikentän ydin, joka puolestaan indusoi virran toinen kela kiedottu eri osa samaa magneettinen ydin.,
suhde kierrosten määrä kelat määrittää suhde jännitteen välillä tulo-ja lähtövirta. Esimerkiksi, jos otamme muuntaja 100 syttyy input-puolella ja 50 kierrosta lähtö puolella, ja meidän tulo vaihtovirta 220 volttia, teho on 110 volttia., Mukaan Hyperphysics, muuntaja voi lisätä voimaa, joka on tuote jännitteen ja virran, niin jos jännite nostetaan, nykyinen on suhteellisesti laskenut ja päinvastoin. Tässä esimerkissä input 220 volttia, 10 ampeeria, tai 2200 wattia, tuottaa tuotos 110 volttia 20 ampeeria, jälleen, 2200 wattia. Käytännössä muuntajat eivät ole koskaan täysin tehokkaita, mutta hyvin suunnitellulla muuntajalla on Texasin yliopiston mukaan tyypillisesti vain muutaman prosentin tehohäviö.,
Muuntajat mahdollistavat sähköverkko olemme riippuvaisia meidän teollista ja teknologista yhteiskuntaa. Cross-country siirtojohdot toimivat satoja tuhansia volttia, jotta voidaan toimittaa enemmän valtaa virrallisten rajat johdot. Tämä jännite on astunut alas toistuvasti käyttäen muuntajat, jakelu-sähköasemat, kunnes se saavuttaa oman talon, jossa se on vihdoin astui alas 220 ja 110 volttia, joka voi ajaa sähköliesi ja tietokone.