Mi Faraday indukciós törvénye?

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.

mágneses mező vonalak egy bármágnesből. (Kép jóváírás: snapgalleria)

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.

bal-és jobb oldali szabály egy mágneses mezőre egy egyenes huzal áramlása miatt. (Kép jóváírás: Fouad A. Saad)

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.

egy áramvezető körhurokban, a) A jobb oldali szabály a mágneses mező irányát adja a hurkon belül és kívül. b) a mező részletesebb feltérképezése, amely hasonló a rúdmágneshez., (Image credit: OpenStax)

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.

mágnes egy galvanométerhez csatlakoztatott huzalhurokban. (Kép hitel: Fouad A., Saad )

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.,

transzformátor diagram (kép hitel: photoiconix )

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.

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük

Tovább az eszköztárra