Faraday ‘ s Inductiewet beschrijft hoe een elektrische stroom een magnetisch veld produceert en, omgekeerd, hoe een veranderend magnetisch veld een elektrische stroom genereert in een geleider. De Engelse natuurkundige Michael Faraday krijgt de eer voor het ontdekken van magnetische inductie in 1830; echter, een Amerikaanse natuurkundige, Joseph Henry, onafhankelijk maakte dezelfde ontdekking ongeveer dezelfde tijd, volgens de Universiteit van Texas.
Het is onmogelijk om de Betekenis van Faraday ‘ s ontdekking te overschatten., Magnetische inductie maakt het mogelijk de elektromotoren, generatoren en transformatoren die de basis vormen van de moderne technologie. Door inductie te begrijpen en te gebruiken, hebben we een elektriciteitsnet en veel van de dingen die we erin aansluiten.Faraday ’s wet werd later opgenomen in de meer uitgebreide Maxwell’ s vergelijkingen, volgens Michael Dubson, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Colorado Boulder., Maxwell ‘ s vergelijkingen werden ontwikkeld door de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell om de relatie tussen elektriciteit en magnetisme te verklaren, in wezen verenigen ze in een enkele elektromagneetkracht en beschrijven elektromagnetische golven die deel uitmaken van radiogolven, zichtbaar licht en röntgenstralen.
elektriciteit
elektrische lading is een fundamentele eigenschap van materie, volgens het Rochester Institute of Technology. Hoewel het moeilijk is om te beschrijven wat het eigenlijk is, zijn we heel bekend met hoe het zich gedraagt en interageert met andere ladingen en velden., Het elektrische veld van een gelokaliseerde puntlading is relatief eenvoudig, volgens Serif Uran, een professor in de natuurkunde aan de Pittsburg State University. Hij beschrijft het als een gelijkmatig uitstraalt in alle richtingen, als licht van een kale gloeilamp, en in kracht afneemt als het omgekeerde kwadraat van de afstand (1/r2), in overeenstemming met Coulomb ‘ s wet. Als je twee keer zo ver weg gaat, neemt de veldsterkte af naar een vierde, en als je drie keer verder weg gaat, neemt het af naar een negende.
protonen hebben een positieve lading, terwijl elektronen een negatieve lading hebben., Protonen zijn echter meestal geïmmobiliseerd binnen atoomkernen, zodat de taak van het dragen van lading van de ene plaats naar de andere wordt behandeld door elektronen. Elektronen in een geleidend materiaal zoals een metaal zijn grotendeels vrij om van het ene atoom naar het andere te bewegen langs hun geleidingsbanden, die de hoogste elektronenbanen zijn. Een voldoende elektromotorische kracht (emf), of spanning, produceert een last onbalans die kan leiden tot elektronen bewegen door een geleider van een gebied van meer negatieve lading naar een gebied van meer positieve lading. Deze beweging is wat we herkennen als een elektrische stroom.,
magnetisme
om Faraday ‘ s Inductiewet te begrijpen, is het belangrijk een basiskennis van magnetische velden te hebben. Vergeleken met het elektrische veld is het magnetische veld complexer. Hoewel positieve en negatieve elektrische ladingen afzonderlijk kunnen bestaan, komen magnetische polen altijd in paren – een Noord en een Zuid, volgens San Jose State University. Typisch zijn magneten van alle groottes — van subatomaire deeltjes tot industriële magneten tot planeten en sterren-dipolen, wat betekent dat ze elk twee polen hebben., We noemen deze Polen Noord en Zuid naar de richting waarin kompasnaalden wijzen. Interessant is dat, omdat tegengestelde polen aantrekken, en zoals Polen afstoten, de magnetische noordpool van de aarde is eigenlijk een Zuid-magnetische pool, omdat het trekt de noordpool van kompasnaalden.
een magnetisch veld wordt vaak afgebeeld als lijnen van magnetische flux. In het geval van een staafmagneet verlaten de fluxlijnen de Noordpool en buigen rond om weer naar de Zuidpool terug te keren., In dit model geeft het aantal fluxlijnen dat door een gegeven oppervlak in de ruimte gaat, de fluxdichtheid of de sterkte van het veld weer. Er moet echter worden opgemerkt dat dit slechts een model is. Een magnetisch veld is glad en continu en bestaat eigenlijk niet uit discrete lijnen.
Het magnetisch veld van de aarde produceert een enorme hoeveelheid magnetische flux, maar wordt verspreid over een enorme hoeveelheid ruimte., Daarom gaat slechts een kleine hoeveelheid flux door een bepaald gebied, wat resulteert in een relatief zwak veld. Ter vergelijking, de flux van een koelkastmagneet is klein in vergelijking met die van de aarde, maar zijn veldsterkte is vele malen sterker op korte afstand waar zijn flux lijnen zijn veel dichter opeengepakt. Echter, het veld wordt al snel veel zwakker als je weg te gaan.
inductie
als we een elektrische stroom door een draad laten lopen, zal er een magnetisch veld rond de draad ontstaan. De richting van dit magnetische veld kan worden bepaald door de rechter regel., Volgens de natuurkunde-afdeling van de Buffalo State University van New York, als je je duim uitsteekt en de vingers van je rechterhand krult, wijst je duim in de positieve richting van de stroom, en je vingers krullen in de noordelijke richting van het magnetische veld.
Als u de draad in een lus buigt, buigen de magnetische veldlijnen mee en vormen zo een toroïde of donutvorm., In dit geval wijst uw duim in de noordelijke richting van het magnetisch veld dat uit het midden van de lus komt, terwijl uw vingers in de positieve richting van de stroom in de lus wijzen.
als we een stroom door een draadlus in een magnetisch veld laten lopen, zal de interactie van deze magnetische velden een draaikracht of koppel op de lus uitoefenen waardoor deze roteert, volgens het Rochester Institute of Technology. Echter, het zal slechts zo ver draaien totdat de magnetische velden zijn uitgelijnd. Als we willen dat de lus blijft draaien, moeten we de richting van de stroom omkeren, die de richting van het magnetische veld van de lus zal omkeren., De lus zal dan 180 graden draaien totdat zijn veld in de andere richting is uitgelijnd. Dit is de basis voor de elektromotor.
omgekeerd, als we een draadlus in een magnetisch veld draaien, zal het veld een elektrische stroom in de draad induceren. De richting van de stroom zal om de helft draaien, het produceren van een wisselstroom. Dit is de basis voor de elektrische generator. Hierbij moet worden opgemerkt dat het niet de beweging van de draad is, maar het openen en sluiten van de lus ten opzichte van de richting van het veld die de stroom induceert., Wanneer de lus is gericht op het veld, de maximale hoeveelheid flux gaat door de lus. Wanneer de lus echter aan de rand van het veld wordt gedraaid, gaan er geen flux-lijnen door de lus. Het is deze verandering in de hoeveelheid flux die door de lus gaat die de stroom induceert.
een ander experiment dat we kunnen uitvoeren is om een draad in een lus te vormen en de uiteinden aan te sluiten op een gevoelige stroommeter, of galvanometer. Als we dan een staafmagneet door de lus duwen, zal de naald in de galvanometer bewegen, wat wijst op een geïnduceerde stroom., Echter, zodra we de beweging van de magneet stoppen, keert de stroom terug naar nul. Het veld van de magneet zal alleen een stroom opwekken wanneer deze toeneemt of afneemt. Als we de magneet er weer uit trekken, zal deze weer een stroom in de draad opwekken, maar deze keer in de tegenovergestelde richting.
als we een gloeilamp in het circuit zouden plaatsen, zou deze elektrische energie in de vorm van licht en warmte afvoeren, en we zouden weerstand voelen tegen de beweging van de magneet als we hem in en uit de lus bewogen. Om de magneet te verplaatsen, moeten we werk doen dat gelijk is aan de energie die door de lamp wordt gebruikt.
in een ander experiment kunnen we twee draadlussen construeren, de uiteinden van de ene met een schakelaar verbinden met een batterij en de uiteinden van de andere lus met een galvanometer verbinden., Als we de twee lussen dicht bij elkaar in een face-to-face oriëntatie plaatsen, en we zetten de macht aan de eerste lus, zal de galvanometer verbonden met de tweede lus een geïnduceerde stroom aangeven en dan snel terugkeren naar nul.
wat hier gebeurt is dat de stroom in de eerste lus een magnetisch veld produceert, dat op zijn beurt een stroom in de tweede lus induceert, maar slechts voor een ogenblik wanneer het magnetisch veld verandert. Wanneer u de schakelaar uitschakelt, zal de meter tijdelijk in de tegenovergestelde richting afbuigen., Dit is een verdere aanwijzing dat het de verandering in de intensiteit van het magnetisch veld, en niet zijn sterkte of beweging die de stroom induceert.
de verklaring hiervoor is dat een magnetisch veld elektronen in een geleider doet bewegen. Deze beweging is wat we kennen als elektrische stroom. Uiteindelijk bereiken de elektronen echter een punt waar ze in evenwicht zijn met het veld, op welk punt ze zullen stoppen met bewegen. Dan wanneer het veld wordt verwijderd of uitgeschakeld, zullen de elektronen terugstromen naar hun oorspronkelijke locatie, het produceren van een stroom in de tegenovergestelde richting.,
In tegenstelling tot een gravitationeel of elektrisch veld is een magnetisch dipoolveld een complexere 3-dimensionale structuur die varieert in sterkte en richting afhankelijk van de locatie waar het wordt gemeten, dus het vereist calculus om het volledig te beschrijven. We kunnen echter een vereenvoudigd geval van een uniform magnetisch veld — bijvoorbeeld een zeer klein deel van een zeer groot veld — beschrijven als ΦB = BA, waarbij ΦB de absolute waarde van de magnetische flux is, B de sterkte van het veld is en A een gedefinieerd gebied is waar het veld doorheen gaat., Omgekeerd is in dit geval de sterkte van een magnetisch veld de flux per oppervlakte-eenheid, of B = ΦB/A.
Faraday ’s Law
nu we een basiskennis van het magnetisch veld hebben, zijn we klaar om Faraday’ s Inductiewet te definiëren. Het stelt dat de geïnduceerde spanning in een circuit evenredig is met de snelheid van verandering in de tijd van de magnetische flux door dat circuit. Met andere woorden, hoe sneller het magnetisch veld verandert, hoe groter de spanning in het circuit zal zijn. De richting van de verandering in het magnetisch veld bepaalt de richting van de stroom.,
we kunnen de spanning verhogen door het aantal lussen in het circuit te verhogen. De geïnduceerde spanning in een spoel met twee lussen zal tweemaal zo groot zijn als bij één lus, en bij drie lussen zal het drievoudig zijn. Dit is de reden waarom echte motoren en generatoren meestal hebben grote aantallen spoelen.
in theorie zijn motoren en generatoren hetzelfde. Als je een motor draait, zal het elektriciteit opwekken, en het toepassen van spanning op een generator, zal het ervoor zorgen dat het draait. Echter, de meeste echte motoren en generatoren zijn geoptimaliseerd voor slechts één functie.,
transformatoren
een andere belangrijke toepassing van Faraday ‘ s Inductiewet is de transformator, uitgevonden door Nikola Tesla. In dit apparaat wordt wisselstroom, die vele malen per seconde van richting verandert, door een spoel om een magnetische kern heen gestuurd. Dit veroorzaakt een veranderend magnetisch veld in de kern, dat op zijn beurt een stroom induceert in de tweede spoel rond een ander deel van dezelfde magnetische kern.,
de verhouding van het aantal windingen in de spoelen bepaalt de verhouding van de spanning tussen de in-en uitgangsstroom. Als we bijvoorbeeld een transformator nemen met 100 windingen aan de ingangszijde en 50 windingen aan de uitgangszijde, en we voeren een wisselstroom in bij 220 volt, zal de uitgang 110 volt zijn., Volgens Hyperfysica kan een transformator het vermogen niet verhogen, wat het product is van spanning en stroom, dus als de spanning wordt verhoogd, wordt de stroom proportioneel verlaagd en vice versa. In ons voorbeeld zou een input van 220 volt bij 10 ampère, of 2.200 Watt, een output van 110 volt produceren bij 20 ampère, nogmaals, 2.200 Watt. In de praktijk zijn transformatoren nooit perfect efficiënt, maar een goed ontworpen transformator heeft meestal een stroomverlies van slechts een paar procent, volgens de Universiteit van Texas.,
transformatoren maken het elektriciteitsnet mogelijk waarvan we afhankelijk zijn voor onze industriële en technologische samenleving. Landoverstijgende transmissielijnen werken bij honderdduizenden volt om meer vermogen over te brengen binnen de stroomdragende grenzen van de draden. Deze spanning wordt herhaaldelijk verlaagd met behulp van transformatoren op distributiestations totdat het uw huis bereikt, waar het uiteindelijk wordt verlaagd tot 220 en 110 volt die uw elektrische kachel en computer kunnen draaien.