Faraday ‘ s Lov av Induksjon beskriver hvordan en elektrisk strøm produserer et magnetisk felt, og omvendt, hvordan en endring av magnetiske felt genererer en elektrisk strøm i en leder. Engelske fysikeren Michael Faraday får æren for å oppdage magnetisk induksjon i 1830; imidlertid, en Amerikansk fysiker, Joseph Henry, uavhengig laget den samme oppdagelsen omtrent samme tid, ifølge University of Texas.
Det er umulig å overdrive betydningen av Faraday ‘ s discovery., Magnetisk induksjon gjør det mulig for den elektriske motorer, generatorer og transformatorer som danner grunnlaget for moderne teknologi. Ved å forstå og bruke induksjon, vi har en elektrisk strøm rutenett og mange av de tingene vi plugg inn i den.
Faraday ‘s lov som senere ble innlemmet i den mer omfattende Maxwell’ s ligninger, ifølge Michael Dubson, professor i fysikk ved University of Colorado i Boulder., Maxwell ‘ s ligninger ble utviklet av den Skotske fysikeren James Clerk Maxwell å forklare forholdet mellom elektrisitet og magnetisme, i hovedsak forene dem i en enkelt elektromagnet kraft og beskrive elektromagnetiske bølger som gjør opp radiobølger og synlig lys, og X-stråler.
Strøm
Elektrisk ladning er en grunnleggende egenskap av materie, i henhold til Rochester Institute of Technology. Selv om det er vanskelig å beskrive hva det faktisk er, vi er ganske kjent med hvordan det fungerer og samhandler med andre avgifter og felt., Det elektriske feltet fra en lokalisert punkt kostnad er relativt enkelt, i henhold til Serif Uran, som er professor i fysikk ved Pittsburg State University. Han beskriver det som stråler ut likt i alle retninger, som lys fra en naken lyspære, og avtagende i styrke som den inverse kvadratet av avstanden (1/r2), i samsvar med Coulomb er Lov. Når du flytter dobbelt så langt unna, feltstyrke reduseres til en fjerdedel, og når du flytter tre ganger lenger unna, er det reduseres til en niende.
Protoner har positiv ladning, mens elektronene har negativ ladning., Imidlertid, protoner er for det meste immobilisert inne atomic kjerner, så jobben med å lade fra ett sted til et annet er håndtert av elektroner. Elektroner i et ledende materiale, for eksempel et metall er i stor grad fritt til å flytte fra ett atom til et annet langs sine ledende band, som er den høyeste elektron i bane. En tilstrekkelig electromotive force (emf), eller spenning, gir en kostnad ubalanse som kan føre til at elektroner beveger seg gjennom en leder fra en region av mer negativ ladning til en region av mer positiv ladning. Denne bevegelsen er det vi kjenner igjen som en elektrisk strøm.,
Magnetisme
for å forstå Faraday ‘ s Lov av Induksjon, det er viktig å ha en grunnleggende forståelse av magnetiske felt. I forhold til det elektriske feltet, det magnetiske feltet er mer komplekse. Mens positive og negative elektriske ladninger kan eksistere separat, magnetiske polene kommer alltid i par og ett i nord og ett i sør, i henhold til San Jose State University. Vanligvis, magneter av alle størrelser — fra sub-atomære partikler til industri-størrelse magneter til planeter og stjerner — er dipoles, noe som betyr at de hver har to poler., Vi kaller disse polakkene nord og sør etter i hvilken retning kompass nåler punkt. Det er interessant, siden motsatte poler tiltrekker seg, og like poler frastøter, den magnetiske nordpolen på Jorden er faktisk en sør-magnetiske nordpol fordi det tiltrekker seg nordpoler av kompass nåler.
Et magnetfelt er ofte avbildet som linjer av magnetisk fluks. I tilfelle av en bar magnet, flux linjer exit fra nordpolen og kurve rundt for å skrive på sydpolen., I denne modellen, antall flux linjer som passerer gjennom en gitt overflaten på plass representerer fluks, eller styrken av feltet. Det bør imidlertid bemerkes at dette er bare en modell. Et magnetfelt er jevn og kontinuerlig, og ikke faktisk består av atskilte linjer.
Jordens magnetiske feltet produserer en enorm mengde av magnetisk fluks, men det er spredt over et stort volum av plass., Derfor er det kun en liten mengde av flux passerer gjennom et gitt område, noe som resulterer i et relativt svakt felt. Ved sammenligningen, flux fra et kjøleskap magnet er liten i forhold til Jorden, men feltstyrke er mange ganger sterkere på nært hold, hvor det flux linjer er mye mer tettpakket. Men feltet blir fort mye svakere når du beveger deg bort.
Induksjon
Hvis vi kjører en elektrisk strøm gjennom en ledning, vil det produsere et magnetisk felt rundt ledningen. Retningen til det magnetiske feltet kan være bestemt av høyre-regelen., I henhold til fysikk-avdelingen i Buffalo State University of New York, hvis du utvide din tommel og krøller fingrene på høyre hånd, tommelen peker i positiv retning for den gjeldende, og fingrene curl i nord retning av magnetfelt.
Hvis du bøy ledningen inn i en loop, magnetiske feltlinjer vil bøye med det, og danner en toroid, eller doughnut form., I dette tilfellet, tommelen peker i nord retning av det magnetiske feltet som kommer ut av midten av loopen, mens fingrene peker i positiv retning av strømmen i sløyfen.
Hvis vi går en strøm gjennom en ledning løkke i et magnetisk felt, samspillet av disse magnetiske felt vil utøve en vridning kraft eller moment, på løkken forårsaker den til å rotere, i henhold til Rochester Institute of Technology. Det vil imidlertid bare roter så langt til den magnetiske felt er justert. Hvis vi ønsker løkken for å fortsette å dreie, vi er nødt til å reversere retningen på strømmen, som vil reversere retningen til det magnetiske feltet fra loop., Løkken vil deretter rotere 180 grader til det er feltet er justert i den andre retningen. Dette er grunnlaget for den elektriske motoren.
Derimot, hvis vi roter en wire loop i et magnetisk felt-feltet vil indusere en strøm i ledningen. Retningen på strømmen vil snu hver halv omdreining, og produserer en vekselstrøm. Dette er grunnlaget for elektrisk generator. Det bør bemerkes her at det ikke er bevegelse av wire, men heller åpne og lukke sløyfen med hensyn til retning av felt som induserer strøm., Når løkken er ansikt-til-feltet, den maksimale mengden av flux passerer gjennom løkken. Imidlertid, når løkken er slått kant-til-feltet, ingen forandring linjer passere gjennom løkken. Det er denne endring i mengden av flux passerer gjennom løkken som induserer strøm.
et Annet eksperiment vi kan utføre er å danne en ledning inn i en loop og koble endene til en følsom gjeldende meter, eller galvanometer. Hvis vi deretter trykk og en bar magnet gjennom løkken, nålen i galvanometer vil flytte, noe som indikerer en indusert strøm., Men, når vi stopper bevegelsen til magneten, gjeldende tilbake til null. Feltet fra magneten vil bare indusere en strøm når det er økende eller synkende. Hvis vi trekker magneten ut igjen, vil det igjen induserer en strøm i ledningen, men denne gangen vil det være i motsatt retning.
Hvis vi setter en lyspære i kretsen, det ville spre elektrisk energi i form av lys og varme, og vi ville føle motstand mot bevegelsen til magneten som vi flyttet det inn og ut av loopen. For å flytte magnet, har vi å gjøre arbeid som tilsvarer den energien som brukes av lyspæren.
I enda et eksperiment, kan vi konstruere to wire looper, koble endene av ett til et batteri med en bryter, og koble endene av den andre sløyfen til et galvanometer., Hvis vi legger de to looper nær hverandre i en ansikt-til-ansikt orientering, og vi slår på strømmen til den første loop, galvanometer koblet til den andre sløyfen vil indikere en indusert strøm og deretter raskt gå tilbake til null.
Hva er det som skjer her er at gjeldende i den første loop produserer et magnetisk felt, som igjen induserer en strøm i den andre loop, men bare for et øyeblikk når det magnetiske feltet er i endring. Når du slår av bryteren i måleren vil reflektere et øyeblikk i motsatt retning., Dette er en ytterligere indikasjon på at det er endring i intensiteten av det magnetiske feltet, og ikke sin styrke eller bevegelse som induserer strøm.
forklaring på dette er at et magnetfelt fører elektroner i en leder til å flytte. Denne bevegelsen er det vi kjenner som elektrisk strøm. Til slutt, skjønt, det elektroner nå et punkt hvor de er i likevekt med feltet, på hvilket tidspunkt de vil slutte å bevege seg. Så når feltet er fjernet eller deaktivert, elektroner vil strømme tilbake til sin opprinnelige plassering, produsere strøm i motsatt retning.,
i Motsetning til et gravitasjonsfelt eller elektrisk felt, en magnetisk dipol felt er en mer kompleks 3-dimensjonal struktur som varierer i styrke og retning i henhold til plasseringen der hvor det er målt, så det krever kalkulus å beskrive det fullt ut. Men, vi kan beskrive et forenklet tilfelle av en uniform magnetiske felt, for eksempel i en svært liten del av et veldig stort felt — som ΦB = BA, der ΦB er den absolutte verdien av magnetisk fluks, B er styrken av feltet, og er et avgrenset område som gjennom feltet passerer., Derimot, i dette tilfellet styrken av et magnetisk felt er flux per arealenhet, eller B = ΦB/A.
Faraday ‘s Law
Nå som vi har en grunnleggende forståelse av det magnetiske feltet, vi er klare for å definere Faraday’ s Lov av Induksjon. Den sier at den induserte spenningen i en krets er proporsjonal med frekvensen av endring over tid av den magnetiske fluks gjennom at kretsen. Med andre ord, jo raskere det magnetiske feltet endringer, desto større blir spenningen i kretsen. Retning av endring i det magnetiske feltet bestemmer retningen på strømmen.,
Vi kan øke spenningen ved å øke antall løkker i kretsen. Indusert spenning i en spole med to sløyfer vil være to ganger så med en sløyfe, og med tre sløyfer det vil være tremannsrom. Dette er grunnen til at real motorer og generatorer har vanligvis et stort antall av spoler.
I teorien, motorer og generatorer er den samme. Hvis du slår en motor, vil det generere elektrisitet, og søker spenning til en generator, vil det føre til at det å slå. Men, de fleste ekte motorer og generatorer er optimalisert for kun én funksjon.,
Transformers
en Annen viktig anvendelse av Faraday ‘ s Lov av Induksjon er transformatoren, oppfunnet av Nikola Tesla. I denne enheten, vekselstrøm, som endres i retning mange ganger per sekund, er sendt gjennom en spole viklet rundt en magnetisk kjerne. Dette gir en endring magnetiske feltet i kjernen, noe som igjen induserer en strøm i andre coil pakket rundt en annen del av den samme magnetiske kjerne.,
forholdet mellom antall omdreininger i spoler bestemmer forholdet mellom spenning mellom input og output current. For eksempel, hvis vi tar en transformator med 100 slår på inntakssiden og 50 slår på output-siden, og vi input en vekselstrøm på 220 volt, produksjonen vil være 110 volt., I henhold til Hyperphysics, en transformator kan ikke øke kraft, som er produktet av spenning og strøm, så hvis spenningen er hevet, gjeldende er proporsjonalt senket og vice versa. I vårt eksempel, en inngangen på 220 volt på 10 ampere, eller av 2200 watt, ville produsere en effekt på 110 volt på 20 ampere, igjen, av 2200 watt. I praksis, transformatorer er aldri perfekt effektiv, men en godt utformet transformator vanligvis har en kraft tap av bare noen få prosent, ifølge University of Texas.,
Transformers gjør det mulig med elektrisk rutenett vi er avhengig av for vår industrielle og teknologiske samfunn. Langrenn overføringslinjer operere på hundrevis av tusenvis av volt for å overføre mer makt innenfor gjeldende-ytter grensene for ledninger. Denne spenningen er trappet ned gjentatte ganger ved hjelp av transformatorer på distribusjon transformatorstasjoner til den når huset, der er det endelig gikk ned til 220 110 volt som kan kjøre elektrisk komfyr og datamaskinen.