La Loi D’Induction de Faraday décrit comment un courant électrique produit un champ magnétique et, inversement, comment un champ magnétique changeant génère un courant électrique dans un conducteur. Le physicien anglais Michael Faraday obtient le crédit pour avoir découvert l’induction magnétique en 1830; cependant, un physicien américain, Joseph Henry, a indépendamment fait la même découverte à peu près au même moment, selon L’Université du Texas.
Il est impossible d’exagérer la signification de la découverte de Faraday., L’induction magnétique rend possible les moteurs électriques, les générateurs et les transformateurs qui forment la base de la technologie moderne. En comprenant et en utilisant l’induction, nous avons un réseau électrique et beaucoup de choses que nous y branchons.
la loi de Faraday a ensuite été incorporée dans les équations de Maxwell, plus complètes, selon Michael Dubson, professeur de physique à L’Université du Colorado à Boulder., Les équations de Maxwell ont été développées par le physicien écossais James Clerk Maxwell pour expliquer la relation entre l’électricité et le magnétisme, les unissant essentiellement en une seule force d’électro-aimant et décrivant les ondes électromagnétiques qui composent les ondes radio, la lumière visible et les rayons X.
Électricité
la charge Électrique est une propriété fondamentale de la matière, selon l’Institut de Technologie de Rochester. Bien qu’il soit difficile de décrire ce qu’il est réellement, nous connaissons assez bien comment il se comporte et interagit avec d’autres charges et champs., Le champ électrique d’une charge ponctuelle localisée est relativement simple, selon Serif Uran, professeur de physique à L’Université D’État de Pittsburg. Il la décrit comme rayonnant également dans toutes les directions, comme la lumière d’une ampoule nue, et diminuant en force comme le carré inverse de la distance (1/r2), conformément à la Loi de Coulomb. Lorsque vous déplacez deux fois plus loin, l’intensité du champ diminue d’un quart, et quand vous vous déplacez trois fois plus loin, il diminue de-neuvième.
les Protons ont une charge positive, tandis que les électrons ont une charge négative., Cependant, les protons sont principalement immobilisés à l’intérieur des noyaux atomiques, de sorte que le travail de transport de charge d’un endroit à un autre est géré par des électrons. Les électrons dans un matériau conducteur tel qu’un métal sont en grande partie libres de se déplacer d’un atome à un autre le long de leurs bandes de conduction, qui sont les orbites d’électrons les plus élevées. Une force électromotrice suffisante (emf), ou tension, produit un déséquilibre de charge qui peut faire passer les électrons à travers un conducteur d’une région de charge plus négative à une région de charge plus positive. Ce mouvement est ce que nous reconnaissons comme un courant électrique.,
magnétisme
afin de comprendre la loi D’Induction de Faraday, il est important d’avoir une compréhension de base des champs magnétiques. Comparé au champ électrique, le champ magnétique est plus complexe. Alors que les charges électriques positives et négatives peuvent exister séparément, les pôles magnétiques viennent toujours par paires — un Nord et un Sud, selon L’Université D’État de San Jose. Typiquement, les aimants de toutes tailles-des particules subatomiques aux aimants de taille industrielle en passant par les planètes et les étoiles-sont des dipôles, ce qui signifie qu’ils ont chacun deux pôles., Nous appelons ces pôles nord et sud d’après la direction dans laquelle pointent les aiguilles de la boussole. Fait intéressant, puisque les pôles opposés attirent, et comme les pôles repoussent, le pôle Nord magnétique de la Terre est en fait un pôle magnétique Sud car il attire les pôles nord des aiguilles de la boussole.
un champ magnétique est souvent représenté comme des lignes de flux magnétique. Dans le cas d’un aimant à barres, les lignes de flux sortent du pôle Nord et se courbent pour revenir au pôle Sud., Dans ce modèle, le nombre de lignes de flux traversant une surface donnée dans l’espace représente la densité de flux, ou la force du champ. Toutefois, il convient de noter que ce n’est qu’un modèle. Un champ magnétique est lisse et continu et ne se compose pas réellement de lignes discrètes.
le champ magnétique terrestre produit une quantité énorme de flux magnétique, mais il est dispersé sur un énorme volume d’espace., Par conséquent, seule une petite quantité de flux traverse une zone donnée, ce qui donne un champ relativement faible. En comparaison, le flux d’un aimant de réfrigérateur est minuscule par rapport à celui de la Terre, mais son intensité de champ est beaucoup plus forte à courte portée où ses lignes de flux sont beaucoup plus denses. Cependant, le champ devient rapidement beaucoup plus faible à mesure que vous vous éloignez.
Induction
Si nous faisons passer un courant électrique à travers un fil, il produira un champ magnétique autour du fil. La direction de ce champ magnétique peut être déterminée par la règle de droite., Selon le département de physique de la Buffalo State University de New York, si vous étendez votre pouce et bouclez les doigts de votre main droite, votre pouce pointe dans la direction positive du courant et vos doigts se courbent dans la direction nord du champ magnétique.
Si vous pliez le fil en boucle, les lignes de champ magnétique se plieront avec lui, formant un tore ou une forme de beignet., Dans ce cas, votre pouce pointe dans la direction nord du champ magnétique sortant du centre de la boucle, tandis que vos doigts pointeront dans la direction positive du courant dans la boucle.
Si nous faisons passer un courant à travers une boucle de fil dans un champ magnétique, l’interaction de ces champs magnétiques exercera une force de torsion, ou un couple, sur la boucle provoquant sa rotation, selon le Rochester Institute of Technology. Cependant, il ne tournera que jusqu’à ce que les champs magnétiques soient alignés. Si nous voulons que la boucle continue de tourner, nous devons inverser la direction du courant, ce qui inversera la direction du champ magnétique de la boucle., La boucle tournera alors de 180 degrés jusqu’à ce que son champ soit aligné dans l’autre sens. C’est la base pour le moteur électrique.
inversement, si nous faisons tourner une boucle de fil dans un champ magnétique, le champ induira un courant électrique dans le fil. La direction du courant s’inversera chaque demi-tour, produisant un courant alternatif. C’est la base du générateur électrique. Il convient de noter ici qu’il n’est pas le mouvement du fil, mais plutôt l’ouverture et la fermeture de la boucle par rapport à la direction du champ qui induit le courant., Lorsque la boucle est face au champ, la quantité maximale de flux passe à travers la boucle. Cependant, lorsque la boucle est tournée vers le champ, aucune ligne de flux ne passe à travers la boucle. C’est ce changement de la quantité de flux traversant la boucle qui induit le courant.
Une autre expérience que nous pouvons effectuer est de former un fil dans une boucle et de connecter les extrémités à un compteur de courant sensible, ou galvanomètre. Si nous poussons ensuite un aimant à barre à travers la boucle, l’Aiguille du galvanomètre se déplacera, indiquant un courant induit., Cependant, une fois que nous arrêtons le mouvement de l’aimant, le courant revient à zéro. Le champ de l’aimant n’induira un courant que lorsqu’il augmente ou diminue. Si nous retirons l’aimant, il induira à nouveau un courant dans le fil, mais cette fois, il sera dans la direction opposée.
Si nous devions mettre une ampoule dans le circuit, elle dissiperait l’énergie électrique sous forme de lumière et de chaleur, et nous ressentirions une résistance au mouvement de l’aimant lorsque nous le déplacions Dans et hors de la boucle. Pour déplacer l’aimant, nous devons effectuer un travail équivalent à l’énergie utilisée par l’ampoule.
encore une autre expérience, on peut construire deux boucles de fils de, connecter les extrémités de l’une à une batterie avec un interrupteur, et de relier les extrémités de l’autre boucle à un galvanomètre., Si nous plaçons les deux boucles proches l’une de l’autre dans une orientation face à face, et nous allumons l’alimentation de la première boucle, le galvanomètre connecté à la deuxième boucle indiquera un courant induit puis reviendra rapidement à zéro.
ce qui se passe ici, c’est que le courant dans la première boucle produit un champ magnétique, qui à son tour induit un courant dans la deuxième boucle, mais seulement pendant un instant lorsque le champ magnétique change. Lorsque vous éteignez l’interrupteur, le compteur dévie momentanément dans la direction opposée., Ceci est une indication supplémentaire que c’est le changement de l’intensité du champ magnétique, et non sa force ou son mouvement qui induit le courant.
L’explication à cela est qu’un champ magnétique provoque un déplacement d’électrons dans un conducteur pour se déplacer. Ce mouvement est ce que nous connaissons comme courant électrique. Finalement, cependant, les électrons atteignent un point où ils sont en équilibre avec le champ, à quel point ils cesseront de se déplacer. Ensuite, lorsque le champ est retiré ou éteint, les électrons reviennent à leur emplacement d’origine, produisant un courant dans la direction opposée.,
contrairement à un champ gravitationnel ou électrique, un champ dipolaire magnétique est une structure tridimensionnelle plus complexe qui varie en force et en direction selon l’endroit où il est mesuré, il nécessite donc un calcul pour le décrire complètement. Cependant, nous pouvons décrire un cas simplifié d’un champ magnétique uniforme — par exemple, une très petite partie d’un très grand champ comme ΦB = BA, où ΦB est la valeur absolue du flux magnétique, B est la force du champ, et est une zone définie par lequel le champ de passe., Inversement, dans ce cas, la force d’un champ magnétique est le flux par unité de surface, ou B = ΦB/A.
loi de Faraday
maintenant que nous avons une compréhension de base du champ magnétique, nous sommes prêts à définir la loi D’Induction de Faraday. Il indique que la tension induite dans un circuit est proportionnelle à la vitesse de variation dans le temps du flux magnétique traversant ce circuit. En d’autres termes, plus le champ magnétique change, plus grande sera la tension dans le circuit. La direction du changement du champ magnétique détermine la direction du courant.,
On peut augmenter la tension en augmentant le nombre de boucles dans le circuit. La tension induite dans une bobine avec deux boucles seront deux fois avec une boucle, et avec trois boucles, il sera triple. C’est pourquoi les vrais moteurs et générateurs ont généralement un grand nombre de bobines.
En théorie, les moteurs et les générateurs sont les mêmes. Si vous tournez un moteur, il générera de l’électricité, et en appliquant une tension à un générateur, il le fera tourner. Cependant, la plupart des moteurs et générateurs réels sont optimisés pour une seule fonction.,
Transformateurs
Une autre application importante de la loi D’Induction de Faraday est le transformateur, inventé par Nikola Tesla. Dans cet appareil, le courant alternatif, qui change de direction plusieurs fois par seconde, est envoyé à travers une bobine enroulée autour d’un noyau magnétique. Cela produit un champ magnétique changeant dans le noyau, qui à son tour induit un courant dans la deuxième bobine enroulée autour d’une partie différente du même noyau magnétique.,
le rapport du nombre de tours dans les bobines détermine le rapport de la tension entre le courant d’entrée et de sortie. Par exemple, si nous prenons un transformateur avec 100 tours côté entrée et 50 tours côté sortie, et que nous entrons un courant alternatif à 220 volts, la sortie sera de 110 volts., Selon L’hyperphysique, un transformateur ne peut pas augmenter la puissance, qui est le produit de la tension et du courant, donc si la tension est élevée, le courant est proportionnellement abaissé et vice versa. Dans notre exemple, une entrée de 220 volts à 10 ampères, ou 2 200 watts, produirait une sortie de 110 volts à 20 ampères, encore une fois, 2 200 watts. En pratique, les transformateurs ne sont jamais parfaitement efficaces, mais un transformateur bien conçu a généralement une perte de puissance de seulement quelques pour cent, selon L’Université du Texas.,
Transformateurs de rendre possible le réseau électrique dont nous dépendons pour notre industrielle et technologique de la société. Les lignes de transmission transfrontalières fonctionnent à des centaines de milliers de volts afin de transmettre plus de puissance dans les limites de transport de courant des fils. Cette tension est abaissée à plusieurs reprises à l’aide de transformateurs aux sous-stations de distribution jusqu’à ce qu’elle atteigne votre maison, où elle est finalement abaissée à 220 et 110 volts qui peuvent faire fonctionner votre cuisinière électrique et votre ordinateur.