Faraday indukciós törvénye leírja, hogy egy elektromos áram hogyan termel mágneses mezőt, és fordítva, hogy egy változó mágneses mező elektromos áramot generál egy vezetőben. Michael Faraday angol fizikus megkapja a hitelt a mágneses indukció felfedezéséhez 1830-ban; azonban egy amerikai fizikus, Joseph Henry, a Texasi Egyetem szerint ugyanazt a felfedezést tette ugyanabban az időben.
lehetetlen túlbecsülni Faraday felfedezésének jelentőségét., Mágneses indukció lehetővé teszi, hogy az elektromos motorok, generátorok, transzformátorok, amelyek alapját képezik a modern technológia. Az indukció megértésével és használatával elektromos hálózatunk van, és sok mindent bedugunk.
Faraday törvényét később beépítették az átfogóbb Maxwell egyenletekbe, Michael Dubson, a Colorado Boulder Egyetem fizika professzora szerint., Maxwell egyenleteit James Clerk Maxwell skót fizikus dolgozta ki, hogy elmagyarázza a villamos energia és a mágnesesség közötti kapcsolatot, lényegében egyetlen elektromágnes erővé egyesítve őket, és leírja a rádióhullámokat, a látható fényt és a röntgensugarakat alkotó elektromágneses hullámokat.
villamos energia
az elektromos töltés az anyag alapvető tulajdonsága a Rochester Technológiai Intézet szerint. Bár nehéz leírni, hogy valójában mi az, nagyon jól ismerjük, hogyan viselkedik, és kölcsönhatásba lép más díjakkal és mezőkkel., Serif Uran, a pittsburgi Állami Egyetem fizika professzora szerint a lokalizált ponttöltésből származó elektromos mező viszonylag egyszerű. Úgy írja le, hogy minden irányban egyformán sugárzik, mint egy csupasz villanykörte fénye, és erőssége csökken, mint a távolság inverz négyzete (1/r2), Coulomb törvényének megfelelően. Ha kétszer olyan messzire mozogsz, a térerő egynegyedére csökken, és ha háromszor távolabb mozogsz, akkor egy kilencedikre csökken.
a protonok pozitív töltéssel rendelkeznek, míg az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek., A protonok azonban többnyire immobilizálódnak az atommagok belsejében, így az egyik helyről a másikra történő töltés feladatát elektronok kezelik. Az elektronok egy vezető anyagban, például egy fémben nagyrészt szabadon mozoghatnak az egyik atomról a másikra a vezetési sávok mentén, amelyek a legmagasabb elektronpályák. A megfelelő elektromotoros erő (emf) vagy feszültség olyan töltési egyensúlyhiányt eredményez, amely az elektronok egy negatívabb töltésű régióból egy pozitívabb töltésű régióba mozoghatnak. Ez a mozgás az, amit elektromos áramként ismerünk fel.,
mágnesesség
a Faraday indukciós törvényének megértése érdekében fontos a mágneses mezők alapvető megértése. Az elektromos mezőhöz képest a mágneses mező összetettebb. Míg a pozitív és negatív elektromos töltések külön is létezhetnek, a mágneses pólusok mindig párban jönnek — egy északi és egy déli, a San Jose Állami Egyetem szerint. Jellemzően minden méretű mágnes-a szubatomi részecskéktől az ipari méretű mágnesekig a bolygókig és a csillagokig-dipólus, ami azt jelenti, hogy mindegyiknek két pólusa van., Ezeket a pólusokat észak-déli irányban hívjuk, miután iránytű tűk mutatnak. Érdekes módon, mivel az ellentétes pólusok vonzzák, és mint a pólusok taszítják, a Föld mágneses északi pólusa valójában egy déli mágneses pólus, mert vonzza az iránytű tűinek északi pólusait.
a mágneses mezőt gyakran mágneses fluxus vonalakként ábrázolják. Bármágnes esetén a fluxusvonalak kilépnek az Északi-sarkról, és körbekerülnek, hogy a Déli-sarkra térjenek vissza., Ebben a modellben a térben egy adott felületen áthaladó fluxusvonalak száma a fluxus sűrűségét vagy a mező szilárdságát jelenti. Meg kell azonban jegyezni, hogy ez csak egy modell. A mágneses mező sima és folytonos, és valójában nem különálló vonalakból áll.
a Föld mágneses mezője óriási mennyiségű mágneses fluxust termel, de hatalmas mennyiségű térben szétszóródik., Ezért csak kis mennyiségű fluxus halad át egy adott területen, ami viszonylag gyenge mezőt eredményez. Összehasonlításképpen, a hűtőmágnesből származó fluxus apró a Földhöz képest, de térerőssége sokszor erősebb közelről, ahol a fluxusvonalak sokkal sűrűbben vannak csomagolva. Azonban a mező gyorsan sokkal gyengébb lesz, amikor elmozdul.
indukció
Ha elektromos áramot vezetünk egy huzalon keresztül, akkor mágneses mezőt hoz létre a huzal körül. Ennek a mágneses mezőnek az irányát A jobb oldali szabály határozhatja meg., A New York-i Buffalo Állami Egyetem Fizikai Tanszéke szerint, ha kinyújtja a hüvelykujját, és a jobb keze ujjait göndöríti, a hüvelykujja az áram pozitív irányába mutat, az ujjai pedig a mágneses mező északi irányába görbülnek.
Ha a huzalt hurokba hajlítja, a mágneses mező vonalai meghajolnak vele, toroidot vagy fánk alakot képeznek., Ebben az esetben a hüvelykujj a hurok középpontjából kilépő mágneses mező északi irányába mutat, míg az ujjaid a hurokban lévő áram pozitív irányába mutatnak.
Ha egy mágneses mezőben egy huzalhurokon keresztül áramot vezetünk, ezeknek a mágneses mezőknek a kölcsönhatása csavaró erőt vagy nyomatékot fog kifejteni a hurkon, ami azt forgatja, a Rochester Technológiai Intézet szerint. Eddig azonban csak addig forog,amíg a mágneses mezők nem igazodnak. Ha azt akarjuk, hogy a hurok tovább forogjon, meg kell fordítanunk az áram irányát, ami megfordítja a mágneses mező irányát a hurokból., A hurok ezután 180 fokkal elfordul, amíg a mező a másik irányba nem igazodik. Ez az alapja az elektromos motornak.
fordítva, ha egy huzalhurkot forgat egy mágneses mezőben, a mező elektromos áramot indukál a huzalban. Az áram iránya minden félfordulatnál megfordítja a váltakozó áramot. Ez az elektromos generátor alapja. Itt meg kell jegyezni, hogy nem a huzal mozgása, hanem a hurok nyitása és zárása a mező irányához képest, amely az áramot indukálja., Amikor a hurok a mezőre kerül, a fluxus maximális mennyisége áthalad a hurokon. Azonban, ha a hurok be van kapcsolva él-on a területen, nem fluxus vonalak áthaladnak a hurok. Ez a változás a hurokon áthaladó fluxus mennyiségében indukálja az áramot.
egy másik kísérlet, amelyet elvégezhetünk, az, hogy vezetéket alakítsunk ki egy hurokba, majd a végeket egy érzékeny árammérőhöz vagy galvanométerhez csatlakoztatjuk. Ha ezután egy rúd mágnest nyomunk át a hurokon, a galvanométerben lévő tű mozog, jelezve egy indukált áramot., Ha azonban megállítjuk a mágnes mozgását, az áram nullára tér vissza. A mágneses mező csak akkor indukál áramot, ha növekszik vagy csökken. Ha kihúzzuk a mágnest, akkor ismét áramot indukál a huzalban, de ezúttal az ellenkező irányba lesz.
Ha kell egy villanykörte az áramkör, akkor eloszlatni elektromos energia formájában, fény -, hő -, úgy érzem, ellenállás a mozgás a mágnes, mint költöztünk be a hurok. A mágnes mozgatásához olyan munkát kell végeznünk, amely megegyezik a villanykörte által használt energiával.
egy újabb kísérletben két huzalhurkot építhetünk, az egyik végét egy akkumulátorhoz kapcsolhatjuk egy kapcsolóval, a másik hurok végeit pedig egy galvanométerhez csatlakoztathatjuk., Ha a két hurkot egymáshoz közel helyezzük szemtől szemben, és bekapcsoljuk az első hurok tápellátását, a második hurokhoz csatlakoztatott galvanométer indukált áramot jelez, majd gyorsan visszatér nullára.
ami itt történik, az az, hogy az első hurokban lévő áram mágneses mezőt hoz létre, amely viszont áramot indukál a második hurokban, de csak egy pillanatra, amikor a mágneses mező megváltozik. Amikor kikapcsolja a kapcsolót, a mérő egy pillanatra elhajlik az ellenkező irányba., Ez azt is jelzi, hogy a mágneses mező intenzitásának változása, nem pedig erőssége vagy mozgása indukálja az áramot.
ennek magyarázata az, hogy egy mágneses mező az elektronok mozgását okozza a vezetőben. Ez a mozgás az, amit elektromos áramként ismerünk. Végül, bár, az elektronok elérik azt a pontot, ahol egyensúlyban vannak a mezővel, ekkor abbahagyják a mozgást. Ezután, amikor a mezőt eltávolítják vagy kikapcsolják, az elektronok visszaáramlanak az eredeti helyükre, ami ellentétes irányú áramot eredményez.,
a gravitációs vagy elektromos mezőtől eltérően a mágneses dipólmező egy összetettebb 3-dimenziós szerkezet, amely erőssége és iránya szerint változik a mért helytől, ezért kalkulusra van szükség annak teljes leírásához. Azonban leírhatunk egy egységes mágneses mező egyszerűsített esetét — például egy nagyon nagy mező nagyon kicsi szakaszát -, mint ΦB = BA, ahol ΦB a mágneses fluxus abszolút értéke, B A mező erőssége, és A egy meghatározott terület, amelyen keresztül a mező áthalad., Ezzel szemben ebben az esetben a mágneses mező erőssége az egységnyi területenkénti fluxus, vagy B = ΦB/A.
Faraday törvénye
most, hogy alapvető ismereteink vannak a mágneses mezőről, készen állunk Faraday indukciós törvényének meghatározására. Azt állítja, hogy az áramkör indukált feszültsége arányos a mágneses fluxus időbeli változásának sebességével az áramkörön keresztül. Más szavakkal, minél gyorsabban változik a mágneses mező, annál nagyobb lesz az áramkör feszültsége. A mágneses mező változásának iránya határozza meg az áram irányát.,
növelhetjük a feszültséget az áramkörben lévő hurkok számának növelésével. A két hurokkal ellátott tekercsben az indukált feszültség kétszer annyi lesz, mint egy hurokkal, három hurokkal pedig háromszoros lesz. Ez az oka annak, hogy a valódi motorok és generátorok jellemzően nagy számú tekercset tartalmaznak.
elméletben a motorok és generátorok azonosak. Ha bekapcsolja a motort, akkor villamos energiát generál, feszültséget alkalmazva egy generátorra, akkor megfordul. A legtöbb valódi motor és generátor azonban csak egy funkcióra van optimalizálva.,
Transformers
Faraday indukciós törvényének másik fontos alkalmazása a Nikola Tesla által feltalált transzformátor. Ebben a készülékben a váltakozó áramot, amely másodpercenként sokszor megváltoztatja az irányt,egy mágneses mag köré tekercseljük. Ez egy változó mágneses mezőt hoz létre a magban,amely viszont áramot indukál a második tekercsben, ugyanazon mágneses mag egy másik része körül.,
a tekercsekben lévő fordulatok számának aránya határozza meg a bemeneti és kimeneti áram közötti feszültség arányát. Például, ha a bemeneti oldalon 100, a kimeneti oldalon 50 fordulattal rendelkező transzformátort veszünk, és 220 V-os váltakozó áramot vezetünk be, akkor a kimenet 110 v lesz., A Hiperfizika szerint a transzformátor nem képes növelni a teljesítményt, ami a feszültség és az áram terméke, tehát ha a feszültség emelkedik, akkor az áram arányosan csökken, és fordítva. Példánkban egy 220 V-os bemenet 10 ampernél, vagy 2200 watt, 110 V-os kimenetet eredményez 20 ampernél, ismét 2200 watt. A gyakorlatban a transzformátorok soha nem tökéletesen hatékonyak, de egy jól megtervezett transzformátor általában csak néhány százalékos teljesítményveszteséggel rendelkezik, a Texasi Egyetem szerint.,
a transzformátorok lehetővé teszik azt az elektromos hálózatot, amelyre ipari és technológiai társadalmunk számára támaszkodunk. A sífutó távvezetékek több százezer voltos feszültséggel működnek annak érdekében, hogy több energiát továbbítsanak a vezetékek jelenlegi hordozási határain belül. Ez a feszültség lépett le többször használja a transformers engedély alállomások, amíg el nem éri a házat, ahol végül visszalépett, hogy 220 110 voltos, amely képes futtatni az elektromos tűzhely, számítógép.