prawo indukcji Faradaya opisuje, w jaki sposób prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne i odwrotnie, jak zmieniające się pole magnetyczne generuje prąd elektryczny w przewodniku. Angielski fizyk Michael Faraday otrzymuje uznanie za odkrycie indukcji magnetycznej w 1830 roku; jednak amerykański fizyk, Joseph Henry, niezależnie dokonał tego samego odkrycia mniej więcej w tym samym czasie, według University of Texas.
nie sposób przecenić znaczenia odkrycia Faradaya., Indukcja magnetyczna umożliwia wykorzystanie silników elektrycznych, generatorów i transformatorów, które stanowią fundament nowoczesnej technologii. Rozumiejąc i używając indukcji, mamy sieć elektryczną i wiele rzeczy, które podłączamy do niej.
prawo Faradaya zostało później włączone do bardziej kompleksowych równań Maxwella, według Michaela Dubsona, profesora fizyki na University of Colorado Boulder., Równania Maxwella zostały opracowane przez szkockiego fizyka Jamesa Clerka Maxwella, aby wyjaśnić związek między elektrycznością a magnetyzmem, zasadniczo łącząc je w jedną siłę elektromagnesu i opisując fale elektromagnetyczne, które składają się na fale radiowe, światło widzialne i promienie rentgenowskie.
Elektryczność
ładunek elektryczny jest podstawową właściwością materii, według Rochester Institute of Technology. Chociaż trudno jest opisać, czym właściwie jest, jesteśmy dość zaznajomieni z tym, jak się zachowuje i współdziała z innymi ładunkami i polami., Pole elektryczne z lokalnego ładunku punktowego jest stosunkowo proste, według Serifa Urana, profesora fizyki na Pittsburg State University. Opisuje je jako promieniujące równomiernie we wszystkich kierunkach, jak światło z gołej żarówki i zmniejszające siłę jako odwrotny kwadrat odległości (1 / r2), zgodnie z Prawem Coulomba. Gdy poruszasz się dwa razy dalej, siła pola zmniejsza się do jednej czwartej, a gdy poruszasz się trzy razy dalej, zmniejsza się do jednej dziewiątej.
protony mają ładunek dodatni, podczas gdy elektrony mają ładunek ujemny., Jednak protony są w większości unieruchamiane wewnątrz jąder atomowych, więc zadanie przenoszenia ładunku z jednego miejsca do drugiego jest obsługiwane przez elektrony. Elektrony w przewodzącym materiale, takim jak metal, są w dużej mierze swobodne w przemieszczaniu się z jednego atomu do drugiego wzdłuż pasm przewodzenia, które są najwyższymi orbitalami elektronowymi. Wystarczająca siła elektromotoryczna (emf), lub napięcie, wytwarza nierównowagę ładunku, która może spowodować, że elektrony poruszają się przez przewodnik z obszaru bardziej ujemnego ładunku do obszaru bardziej dodatniego ładunku. Ten ruch jest tym, co uznajemy za prąd elektryczny.,
magnetyzm
aby zrozumieć prawo indukcji Faradaya, ważne jest posiadanie podstawowego zrozumienia pól magnetycznych. W porównaniu do pola elektrycznego, pole magnetyczne jest bardziej złożone. Podczas gdy dodatnie i ujemne ładunki elektryczne mogą istnieć oddzielnie, bieguny magnetyczne zawsze występują w parach-jeden północny i jeden Południowy, zgodnie z San Jose State University. Zazwyczaj magnesy wszystkich rozmiarów — od cząstek subatomowych po magnesy wielkości przemysłowej po planety i gwiazdy – są dipolami, co oznacza, że każdy z nich ma dwa bieguny., Bieguny te nazywamy północ i południe od kierunku, w którym wskazują igły kompasu. Co ciekawe, ponieważ przeciwległe bieguny przyciągają i podobnie jak bieguny odpychają, magnetyczny biegun północny Ziemi jest w rzeczywistości południowym biegunem magnetycznym, ponieważ przyciąga bieguny Północne igieł kompasu.
pole magnetyczne jest często przedstawiane jako linie strumienia magnetycznego. W przypadku magnesu prętowego linie strumienia wychodzą z Bieguna Północnego i zakrzywiają się wokół, aby ponownie wejść na Biegun Południowy., W tym modelu liczba linii strumienia przechodzących przez daną powierzchnię w przestrzeni reprezentuje gęstość strumienia, czyli siłę pola. Należy jednak zauważyć, że jest to tylko model. Pole magnetyczne jest gładkie i ciągłe i w rzeczywistości nie składa się z linii dyskretnych.
pole magnetyczne Ziemi wytwarza ogromną ilość strumienia magnetycznego, ale jest rozproszone na ogromnej przestrzeni., Dlatego tylko niewielka ilość strumienia przechodzi przez dany obszar, co skutkuje stosunkowo słabym polem. Dla porównania, strumień z magnesu lodówkowego jest niewielki w porównaniu z ziemskim, ale jego natężenie pola jest wielokrotnie większe w bliskiej odległości, gdzie jego linie strumienia są znacznie gęstsze. Jednak pole szybko staje się znacznie słabsze w miarę oddalania się.
Indukcja
Jeśli przepuścimy prąd elektryczny przez przewód, wytworzy on pole magnetyczne wokół przewodu. Kierunek tego pola magnetycznego może być określony przez regułę prawej ręki., Według Wydziału Fizyki na Buffalo State University of New York, jeśli wyciągniesz kciuk i zwiń palce prawej ręki, kciuk wskazuje dodatni kierunek prądu, a palce zwijają się w północnym kierunku pola magnetycznego.
Jeśli zginasz drut w pętlę, linie pola magnetycznego zginają się wraz z nim, tworząc toroid lub kształt pączka., W takim przypadku kciuk wskazuje w kierunku północnym pole magnetyczne wychodzące ze środka pętli, podczas gdy palce będą wskazywać dodatni kierunek prądu w pętli.
Jeśli uruchomimy prąd przez pętlę drutową w polu magnetycznym, interakcja tych pól magnetycznych wywrze siłę skręcającą lub moment obrotowy na pętli powodując jej obrót, zgodnie z Rochester Institute of Technology. Jednak będzie się obracać tylko do czasu wyrównania pola magnetycznego. Jeśli chcemy, aby pętla nadal się obracała, musimy odwrócić kierunek prądu, który odwróci kierunek pola magnetycznego od pętli., Następnie pętla obróci się o 180 stopni, aż jej pole zostanie wyrównane w przeciwnym kierunku. Jest to podstawa dla silnika elektrycznego.
odwrotnie, jeśli obrócimy pętlę drutu w polu magnetycznym, pole to indukuje prąd elektryczny w przewodzie. Kierunek prądu odwraca się co pół obrotu, wytwarzając prąd zmienny. Jest to podstawa dla generatora elektrycznego. Należy tu zauważyć, że prąd indukuje Nie ruch drutu, ale raczej otwieranie i zamykanie pętli w odniesieniu do kierunku pola., Gdy pętla jest twarzą do pola, maksymalna ilość strumienia przechodzi przez pętlę. Jednak gdy pętla jest obrócona krawędziowo do pola, przez pętlę nie przechodzą żadne linie strumienia. To właśnie ta zmiana ilości strumienia przechodzącego przez pętlę indukuje prąd.
kolejnym eksperymentem, który możemy wykonać, jest uformowanie drutu w pętlę i podłączenie końców do czułego miernika prądu, czyli galwanometru. Jeśli następnie popchniemy magnes pręta przez pętlę, igła w galwanometrze poruszy się, wskazując prąd indukowany., Jednak gdy zatrzymamy ruch magnesu, prąd wraca do zera. Pole z magnesu indukuje prąd tylko wtedy, gdy rośnie lub maleje. Jeśli wyciągniemy magnes z powrotem, ponownie wywoła on prąd w przewodzie, ale tym razem będzie on w przeciwnym kierunku.
gdybyśmy umieścili żarówkę w obwodzie, rozpraszałaby ona energię elektryczną w postaci światła i ciepła, a my czulibyśmy odporność na ruch magnesu, gdy przesuwaliśmy go do i z pętli. Aby poruszyć magnesem, musimy wykonać pracę równoważną energii zużywanej przez żarówkę.
w kolejnym eksperymencie możemy skonstruować dwie pętle przewodowe, podłączyć końce jednej do baterii za pomocą przełącznika, a końce drugiej do galwanometru., Jeśli umieścimy dwie pętle blisko siebie w orientacji twarzą w twarz i włączymy zasilanie do pierwszej pętli, galwanometr podłączony do drugiej pętli wskaże prąd indukowany, a następnie szybko powróci do zera.
dzieje się tak, że prąd w pierwszej pętli wytwarza pole magnetyczne, które z kolei indukuje prąd w drugiej pętli, ale tylko na chwilę, gdy pole magnetyczne się zmienia. Po wyłączeniu przełącznika miernik odchyli się chwilowo w przeciwnym kierunku., Jest to dalsze wskazanie, że to zmiana natężenia pola magnetycznego, a nie jego siła lub ruch, który indukuje prąd.
wyjaśnienie tego jest takie, że pole magnetyczne powoduje ruch elektronów w przewodniku. Ten ruch jest tym, co znamy jako prąd elektryczny. Ostatecznie jednak elektrony docierają do punktu, w którym znajdują się w równowadze z polem, w którym to punkcie przestaną się poruszać. Następnie, gdy pole zostanie usunięte lub wyłączone, elektrony będą płynąć z powrotem do ich pierwotnego miejsca, wytwarzając prąd w przeciwnym kierunku.,
W przeciwieństwie do pola grawitacyjnego lub elektrycznego, dipol magnetyczny jest bardziej złożoną strukturą 3-wymiarową, która zmienia siłę i kierunek w zależności od miejsca, w którym jest mierzona, więc wymaga rachunku matematycznego, aby go w pełni opisać. Jednakże, możemy opisać uproszczony przypadek jednorodnego pola magnetycznego — na przykład bardzo małego odcinka bardzo dużego pola-jako ΦB = BA, gdzie ΦB jest wartością bezwzględną strumienia magnetycznego, B jest siłą pola, A A jest zdefiniowanym obszarem, przez który przechodzi pole., I odwrotnie, w tym przypadku siła pola magnetycznego jest strumieniem na jednostkę powierzchni, lub B = ΦB/A.
prawo Faradaya
teraz, gdy mamy podstawowe zrozumienie pola magnetycznego, jesteśmy gotowi zdefiniować prawo indukcji Faradaya. Stwierdza on, że Indukowane napięcie w obwodzie jest proporcjonalne do szybkości zmiany w czasie strumienia magnetycznego przez ten obwód. Innymi słowy, im szybciej zmienia się pole magnetyczne, tym większe będzie napięcie w obwodzie. Kierunek zmiany pola magnetycznego określa kierunek prądu.,
możemy zwiększyć napięcie poprzez zwiększenie liczby pętli w obwodzie. Indukowane napięcie w cewce z dwiema pętlami będzie dwa razy większe niż przy jednej pętli, a przy trzech pętlach będzie potrójne. To dlatego prawdziwe silniki i generatory typowo posiadają dużą liczbę cewek.
teoretycznie silniki i generatory są takie same. Jeśli obrócisz silnik, wygeneruje on energię elektryczną, a przyłożenie napięcia do generatora spowoduje jego obrócenie. Jednak większość rzeczywistych silników i generatorów jest zoptymalizowana tylko dla jednej funkcji.,
Transformatory
kolejnym ważnym zastosowaniem prawa indukcji Faradaya jest transformator wynaleziony przez Nikolę Teslę. W urządzeniu Tym prąd zmienny, który zmienia kierunek wiele razy na sekundę, jest przesyłany przez cewkę owiniętą wokół rdzenia magnetycznego. To wytwarza zmieniające się pole magnetyczne w rdzeniu, które z kolei indukuje prąd w drugiej cewce owiniętej wokół innej części tego samego rdzenia magnetycznego.,
stosunek liczby obrotów cewek określa stosunek napięcia między prądem wejściowym i wyjściowym. Na przykład, jeśli weźmiemy transformator o 100 obrotach po stronie wejściowej i 50 obrotach po stronie wyjściowej, a wprowadzimy prąd przemienny o napięciu 220 V, wyjście wyniesie 110 V., Według Hiperfizyki transformator nie może zwiększyć mocy, która jest iloczynem napięcia i prądu, więc jeśli napięcie jest podniesione, prąd jest proporcjonalnie obniżany i odwrotnie. W naszym przykładzie, wejście 220 woltów przy 10 amperach, lub 2200 watów, wytworzyłoby wyjście 110 woltów przy 20 amperach, ponownie 2200 watów. W praktyce transformatory nigdy nie są idealnie wydajne, ale dobrze zaprojektowany transformator zazwyczaj ma stratę mocy zaledwie kilka procent, według University of Texas.,
Transformatory umożliwiają sieć elektryczną, na której polegamy dla naszego społeczeństwa przemysłowego i technologicznego. Linie przesyłowe Cross-country pracują na setkach tysięcy woltów, aby przekazać więcej mocy w granicach przewodzenia prądu przewodów. Napięcie to jest wielokrotnie obniżane za pomocą transformatorów w podstacjach dystrybucyjnych, aż dotrze do Twojego domu, gdzie ostatecznie obniża się do 220 i 110 woltów, które mogą uruchamiać kuchenkę elektryczną i komputer.