Faradays Induktionslag beskriver hur en elektrisk ström producerar ett magnetfält och omvänt hur ett föränderligt magnetfält genererar en elektrisk ström i en ledare. Engelsk fysiker Michael Faraday får äran för att upptäcka magnetisk induktion 1830; men en amerikansk fysiker, Joseph Henry, gjorde självständigt samma upptäckt ungefär samtidigt, enligt University of Texas.
det är omöjligt att överskatta betydelsen av Faradays upptäckt., Magnetisk induktion möjliggör elmotorer, generatorer och transformatorer som utgör grunden för modern teknik. Genom att förstå och använda induktion har vi ett elnät och många av de saker vi ansluter till det.
Faradays lag införlivades senare i de mer omfattande Maxwells ekvationer, enligt Michael Dubson, professor i fysik vid University of Colorado Boulder., Maxwells ekvationer utvecklades av den skotska fysikern James Clerk Maxwell för att förklara förhållandet mellan el och magnetism, som i huvudsak förenar dem i en enda elektromagnetisk kraft och beskriver elektromagnetiska vågor som utgör radiovågor, synligt ljus och röntgenstrålar.
El
elektrisk laddning är en grundläggande sak, enligt Rochester Institute of Technology. Även om det är svårt att beskriva vad det egentligen är, är vi ganska bekanta med hur det beter sig och interagerar med andra avgifter och fält., Det elektriska fältet från en lokaliserad punktladdning är relativt enkelt, enligt Serif Uran, professor i fysik vid Pittsburg State University. Han beskriver det som utstrålar lika i alla riktningar, som ljus från en bar glödlampa och minskar i styrka som den inversa kvadraten av avståndet (1/r2), i enlighet med Coulombs lag. När du flyttar dubbelt så långt bort minskar fältstyrkan till en fjärdedel, och när du flyttar tre gånger längre bort minskar den till en nionde.
protoner har positiv laddning, medan elektroner har negativ laddning., Protoner är dock mestadels immobiliserade inuti atomkärnor, så jobbet att bära laddning från en plats till en annan hanteras av elektroner. Elektroner i ett ledande material som en metall är till stor del fria att flytta från en atom till en annan längs deras ledningsband, som är de högsta elektronbanden. En tillräcklig elektromotorisk kraft (emf), eller spänning, ger en laddningsobalans som kan orsaka elektroner rör sig genom en ledare från en region med mer negativ laddning till en region med mer positiv laddning. Denna rörelse är vad vi känner igen som en elektrisk ström.,
Magnetism
För att förstå Faradays Induktionslag är det viktigt att ha en grundläggande förståelse för magnetfält. Jämfört med det elektriska fältet är magnetfältet mer komplext. Medan positiva och negativa elektriska laddningar kan existera separat, magnetiska poler kommer alltid i par-en Norr och en söder, enligt San Jose State University. Vanligtvis är magneter av alla storlekar-från subatomära partiklar till industriella magneter till planeter och stjärnor-dipoler, vilket innebär att de båda har två poler., Vi kallar dessa poler norr och söder efter den riktning i vilken kompassnålar pekar. Intressant, eftersom motsatta poler lockar, och som poler stöter bort, är jordens magnetiska nordpolen faktiskt en sydmagnetisk Pol eftersom den lockar norra polerna av kompassnålar.
ett magnetfält avbildas ofta som linjer med magnetiskt flöde. I fallet med en bar magnet, flödesledningar utgång från Nordpolen och kurva runt för att återinträda vid sydpolen., I denna modell representerar antalet flödeslinjer som passerar genom en given yta i rymden flödestätheten eller fältets styrka. Det bör dock noteras att detta bara är en modell. Ett magnetfält är smidigt och kontinuerligt och består faktiskt inte av diskreta linjer.
jordens magnetfält ger en enorm mängd magnetflöde, men det sprids över en stor mängd utrymme., Därför passerar endast en liten mängd flöde genom ett givet område, vilket resulterar i ett relativt svagt fält. Som jämförelse är flödet från en kylmagnet liten jämfört med jordens, men dess fältstyrka är många gånger starkare på nära håll där dess flödeslinjer är mycket tätare packade. Fältet blir dock snabbt mycket svagare när du flyttar bort.
induktion
om vi kör en elektrisk ström genom en tråd, kommer den att producera ett magnetfält runt tråden. Riktningen för detta magnetfält kan bestämmas av högerregeln., Enligt fysikavdelningen vid Buffalo State University of New York, om du förlänger tummen och krullar fingrarna på din högra hand, pekar tummen i den positiva riktningen av strömmen och fingrarna krullar i magnetfältets Norra riktning.
om du böjer tråden i en slinga, kommer magnetfältlinjerna att böja med den och bilda en toroid eller munkform., I det här fallet pekar tummen i norra riktningen av magnetfältet som kommer ut ur mitten av slingan, medan fingrarna pekar i den positiva riktningen av strömmen i slingan.
om vi kör en ström genom en trådslinga i ett magnetfält, kommer interaktionen mellan dessa magnetfält att utöva en vridningskraft eller vridmoment på slingan som får den att rotera, enligt Rochester Institute of Technology. Det roterar dock bara så långt tills magnetfälten är inriktade. Om vi vill att slingan ska fortsätta rotera måste vi vända strömriktningen, vilket kommer att vända magnetfältets riktning från slingan., Slingan roterar sedan 180 grader tills dess fält är i linje i andra riktningen. Detta är grunden för elmotorn.
omvänt, om vi roterar en trådslinga i ett magnetfält, kommer fältet att inducera en elektrisk ström i tråden. Strömriktningen kommer att vända varje halv varv och producera en växelström. Detta är grunden för den elektriska generatorn. Det bör noteras här att det inte är trådens rörelse utan snarare öppningen och stängningen av slingan med avseende på fältets riktning som inducerar strömmen., När slingan är vänd mot fältet passerar den maximala mängden flöde genom slingan. Men när slingan är vänd kant-på fältet passerar inga flödeslinjer genom slingan. Det är denna förändring i mängden flöde som passerar genom slingan som inducerar strömmen.
ett annat experiment vi kan utföra är att bilda en tråd i en slinga och ansluta ändarna till en känslig strömmätare eller galvanometer. Om vi sedan trycker en barmagnet genom slingan, kommer nålen i galvanometern att röra sig, vilket indikerar en inducerad ström., Men när vi stoppar magnetens rörelse återgår strömmen till noll. Fältet från magneten kommer endast att inducera en ström när den ökar eller minskar. Om vi drar magneten tillbaka ut, kommer den igen att inducera en ström i tråden, men den här gången kommer den att vara i motsatt riktning.
om vi skulle sätta en glödlampa i kretsen skulle den skingra elektrisk energi i form av ljus och värme, och vi skulle känna motstånd mot magnetens rörelse när vi flyttade den in och ut ur slingan. För att flytta magneten måste vi göra arbete som motsvarar den energi som används av glödlampan.
i ännu ett experiment kan vi konstruera två trådöglor, ansluta ändarna på en till ett batteri med en strömbrytare och ansluta ändarna på den andra slingan till en galvanometer., Om vi placerar de två slingorna nära varandra i ansiktsorientering, och vi slår på strömmen till den första slingan, kommer galvanometern ansluten till den andra slingan att indikera en inducerad ström och sedan snabbt återgå till noll.
vad som händer här är att strömmen i den första slingan producerar ett magnetfält, vilket i sin tur inducerar en ström i den andra slingan, men bara för ett ögonblick när magnetfältet förändras. När du stänger av strömbrytaren avböjs mätaren tillfälligt i motsatt riktning., Detta är ytterligare indikation på att det är förändringen i magnetfältets intensitet, och inte dess styrka eller rörelse som inducerar strömmen.
förklaringen till detta är att ett magnetfält får elektroner i en ledare att röra sig. Denna rörelse är vad vi vet som elektrisk ström. Så småningom, men elektronerna når en punkt där de är i jämvikt med fältet, vid vilken tidpunkt de kommer att sluta röra sig. När fältet tas bort eller stängs av kommer elektronerna att strömma tillbaka till sin ursprungliga plats och producera en ström i motsatt riktning.,
Till skillnad från ett gravitations-eller elektriskt fält är ett magnetiskt dipolfält en mer komplex 3-dimensionell struktur som varierar i styrka och riktning beroende på platsen där den mäts, så det kräver kalkyl för att beskriva den helt. Vi kan dock beskriva ett förenklat fall av ett enhetligt magnetfält — till exempel en mycket liten del av ett mycket stort fält-som ΦB = BA, där ΦB är det absoluta värdet av magnetflödet, B är fältets styrka och A är ett definierat område genom vilket fältet passerar., Omvänt, i detta fall är styrkan hos ett magnetfält flödet per enhetsområde, eller B = ΦB/A.
Faradays lag
Nu när vi har en grundläggande förståelse för magnetfältet är vi redo att definiera Faradays Induktionslag. Det står att den inducerade spänningen i en krets är proportionell mot förändringshastigheten över tiden för det magnetiska flödet genom den kretsen. Med andra ord, ju snabbare magnetfältet ändras, desto större blir spänningen i kretsen. Riktningen för förändringen i magnetfältet bestämmer strömriktningen.,
Vi kan öka spänningen genom att öka antalet slingor i kretsen. Den inducerade spänningen i en spole med två slingor kommer att vara dubbelt så med en slinga, och med tre slingor blir det trippel. Det är därför riktiga motorer och generatorer har vanligtvis ett stort antal spolar.
i teorin är motorer och generatorer desamma. Om du vrider en motor kommer den att generera el och applicera spänning på en generator, det kommer att få det att vända. De flesta riktiga motorer och generatorer är dock optimerade för endast en funktion.,
transformatorer
en annan viktig tillämpning av Faradays Induktionslag är transformatorn, uppfunnad av Nikola Tesla. I denna enhet skickas växelström, som ändrar riktning många gånger per sekund, genom en spole lindad runt en magnetisk kärna. Detta ger ett förändrat magnetfält i kärnan, vilket i sin tur inducerar en ström i andra spole lindad runt en annan del av samma magnetiska kärna.,
förhållandet mellan antalet varv i spolarna bestämmer förhållandet mellan spänningen mellan ingångs-och utgångsströmmen. Till exempel, om vi tar en transformator med 100 varv på ingångssidan och 50 varv på utgångssidan, och vi matar in en växelström vid 220 volt, kommer utgången att vara 110 volt., Enligt Hyperfysik kan en transformator inte öka effekten, vilket är produkten av spänning och ström, så om spänningen höjs sänks strömmen proportionellt och vice versa. I vårt exempel skulle en ingång på 220 volt vid 10 ampere, eller 2,200 Watt, producera en utgång på 110 volt vid 20 ampere, igen, 2,200 Watt. I praktiken är transformatorer aldrig helt effektiva, men en väldesignad transformator har vanligtvis en kraftförlust på endast några procent, enligt University of Texas.,
transformatorer möjliggör elnätet vi är beroende av för vårt industriella och tekniska samhälle. Längdöverföringsledningar arbetar med hundratusentals volt för att överföra mer kraft inom ledningens nuvarande gränser. Denna spänning trappas ned upprepade gånger med hjälp av transformatorer vid distributionsstationer tills den når ditt hus, där det slutligen trappas ner till 220 och 110 volt som kan köra din elspis och dator.