Faradays Induktionsgesetz beschreibt, wie ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt und umgekehrt, wie ein sich änderndes Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Leiter erzeugt. Der englische Physiker Michael Faraday erhält die Anerkennung für die Entdeckung der magnetischen Induktion im Jahr 1830; Ein amerikanischer Physiker, Joseph Henry, machte jedoch nach Angaben der University of Texas ungefähr zur gleichen Zeit selbständig die gleiche Entdeckung.
Es ist unmöglich, die Bedeutung von Faradays Entdeckung zu überschätzen., Magnetische Induktion ermöglicht die Elektromotoren, Generatoren und Transformatoren, die die Grundlage der modernen Technologie bilden. Durch das Verständnis und die Verwendung von Induktion haben wir ein Stromnetz und viele der Dinge, die wir daran anschließen.
Faradays Gesetz wurde später in die umfassenderen Maxwell-Gleichungen aufgenommen, so Michael Dubson, Professor für Physik an der University of Colorado Boulder., Maxwells Gleichungen wurden vom schottischen Physiker James Clerk Maxwell entwickelt, um die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu erklären, sie im Wesentlichen zu einer einzigen Elektromagnetkraft zu vereinen und elektromagnetische Wellen zu beschreiben, aus denen Radiowellen, sichtbares Licht und Röntgenstrahlen bestehen.
Elektrizität
Elektrische Ladung ist laut Rochester Institute of Technology eine grundlegende Eigenschaft der Materie. Obwohl es schwierig ist zu beschreiben, was es tatsächlich ist, sind wir ziemlich vertraut damit, wie es sich verhält und mit anderen Ladungen und Feldern interagiert., Laut Serif Uran, Professor für Physik an der Pittsburg State University, ist das elektrische Feld einer lokalisierten Punktladung relativ einfach. Er beschreibt es als gleichmäßig in alle Richtungen ausstrahlend, wie Licht von einer nackten Glühbirne, und in der Stärke abnehmend als das umgekehrte Quadrat der Entfernung (1/r2), in Übereinstimmung mit Coulombs Gesetz. Wenn Sie sich doppelt so weit weg bewegen, nimmt die Feldstärke auf ein Viertel ab, und wenn Sie sich dreimal weiter weg bewegen, sinkt sie auf ein Neuntel.
Protonen haben eine positive Ladung, während Elektronen eine negative Ladung haben., Protonen sind jedoch meist in Atomkernen immobilisiert, so dass die Aufgabe, Ladung von einem Ort zum anderen zu tragen, von Elektronen gehandhabt wird. Elektronen in einem leitenden Material wie einem Metall sind weitgehend frei, sich entlang ihrer Leitungsbänder, die die höchsten Elektronenbahnen sind, von einem Atom zum anderen zu bewegen. Eine ausreichende elektromotorische Kraft (emf) oder Spannung erzeugt ein Ladungsungleichgewicht, das dazu führen kann, dass sich Elektronen durch einen Leiter von einem Bereich negativer Ladung zu einem Bereich positiver Ladung bewegen. Diese Bewegung erkennen wir als elektrischen Strom.,
Magnetismus
Um Faradays Induktionsgesetz zu verstehen, ist es wichtig, ein grundlegendes Verständnis von Magnetfeldern zu haben. Im Vergleich zum elektrischen Feld ist das Magnetfeld komplexer. Während positive und negative elektrische Ladungen getrennt existieren können, Magnetpole kommen immer paarweise — ein Norden und ein Süden, nach San Jose State University. Typischerweise sind Magnete aller Größen-von subatomaren Teilchen über Magnete industrieller Größe bis hin zu Planeten und Sternen — Dipole, dh sie haben jeweils zwei Pole., Wir nennen diese Pole Norden und Süden nach der Richtung, in die Kompassnadeln zeigen. Interessanterweise ist der magnetische Nordpol der Erde, da entgegengesetzte Pole anziehen und wie Pole abstoßen, tatsächlich ein südmagnetischer Pol, da er die Nordpole von Kompassnadeln anzieht.
Ein Magnetfeld wird oft als Linien des magnetischen Flusses dargestellt. Im Falle eines Stabmagneten treten die Flusslinien vom Nordpol aus aus und krümmen sich, um am Südpol wieder einzusteigen., In diesem Modell stellt die Anzahl der Flusslinien, die durch eine gegebene Oberfläche im Raum verlaufen, die Flussdichte oder die Stärke des Feldes dar. Es sollte jedoch beachtet werden, dass dies nur ein Modell ist. Ein Magnetfeld ist glatt und kontinuierlich und besteht eigentlich nicht aus diskreten Linien.
Das Magnetfeld der Erde erzeugt einen enormen magnetischen Fluss, ist jedoch über ein riesiges Raumvolumen verteilt., Daher durchläuft nur eine geringe Menge Flussmittel einen bestimmten Bereich, was zu einem relativ schwachen Feld führt. Im Vergleich dazu ist der Fluss von einem Kühlschrankmagneten im Vergleich zu dem der Erde winzig, aber seine Feldstärke ist im Nahbereich, wo seine Flusslinien viel dichter gepackt sind, um ein Vielfaches stärker. Das Feld wird jedoch schnell viel schwächer, wenn Sie sich entfernen.
Induktion
Wenn wir einen elektrischen Strom durch einen Draht leiten, wird ein Magnetfeld um den Draht erzeugt. Die Richtung dieses Magnetfeldes kann durch die rechte Regel bestimmt werden., Laut der Physikabteilung der Buffalo State University in New York, wenn Sie Ihren Daumen ausstrecken und die Finger Ihrer rechten Hand kräuseln, zeigt Ihr Daumen in die positive Richtung des Stroms, und Ihre Finger kräuseln sich in Richtung Norden des Magnetfeldes.
Wenn Sie den Draht in eine Schleife biegen, biegen sich die Magnetfeldlinien damit und bilden eine Toroid-oder Donutform., In diesem Fall zeigt Ihr Daumen in die Nordrichtung des Magnetfeldes, das aus der Mitte der Schleife kommt, während Ihre Finger in die positive Richtung des Stroms in der Schleife zeigen.
Wenn wir einen Strom durch eine Drahtschleife in einem Magnetfeld leiten, übt die Wechselwirkung dieser Magnetfelder laut Rochester Institute of Technology eine Verdrehkraft oder ein Drehmoment auf die Schleife aus, wodurch sie sich dreht. Es dreht sich jedoch nur so weit, bis die Magnetfelder ausgerichtet sind. Wenn wir möchten, dass sich die Schleife weiter dreht, müssen wir die Richtung des Stroms umkehren, wodurch die Richtung des Magnetfeldes von der Schleife umgekehrt wird., Die Schleife dreht sich dann um 180 Grad, bis ihr Feld in die andere Richtung ausgerichtet ist. Dies ist die Basis für den Elektromotor.
Umgekehrt induziert das Feld einen elektrischen Strom im Draht, wenn wir eine Drahtschleife in einem Magnetfeld drehen. Die Richtung des Stroms kehrt sich jede halbe Umdrehung um und erzeugt einen Wechselstrom. Dies ist die basis für den elektrischen generator. Hierbei ist zu beachten, dass nicht die Bewegung des Drahtes, sondern das Öffnen und Schließen der Schleife in Bezug auf die Richtung des Feldes den Strom induziert., Wenn die Schleife dem Feld gegenüberliegt, durchläuft die maximale Flussmenge die Schleife. Wenn die Schleife jedoch am Rand des Feldes eingeschaltet wird, passieren keine Flusslinien die Schleife. Es ist diese Änderung der Flussmenge, die durch die Schleife fließt, die den Strom induziert.
Ein weiteres Experiment, das wir durchführen können, besteht darin, einen Draht zu einer Schleife zu formen und die Enden mit einem empfindlichen Stromzähler oder Galvanometer zu verbinden. Wenn wir dann einen Stabmagneten durch die Schlaufe drücken, bewegt sich die Nadel im Galvanometer und zeigt einen induzierten Strom an., Sobald wir jedoch die Bewegung des Magneten stoppen, kehrt der Strom auf Null zurück. Das Feld vom Magneten induziert nur dann einen Strom, wenn er zunimmt oder abnimmt. Wenn wir den Magneten wieder herausziehen, induziert er wieder einen Strom im Draht, diesmal jedoch in die entgegengesetzte Richtung.
Wenn wir eine Glühbirne in den Stromkreis einbauen würden, würde sie elektrische Energie in Form von Licht und Wärme ableiten und wir würden Widerstand gegen die Bewegung des Magneten spüren, wenn wir ihn in die Schleife und aus der Schleife bewegen. Um den Magneten zu bewegen, müssen wir Arbeiten ausführen, die der Energie der Glühbirne entsprechen.
In einem weiteren Experiment könnten wir zwei Drahtschleifen konstruieren, die Enden einer mit einem Schalter an eine Batterie anschließen und die Enden der anderen Schleife an ein Galvanometer anschließen., Wenn wir die beiden Schleifen von Angesicht zu Angesicht nahe beieinander platzieren und die Stromversorgung für die erste Schleife einschalten, zeigt das an die zweite Schleife angeschlossene Galvanometer einen induzierten Strom an und kehrt dann schnell auf Null zurück.
Hier geschieht, dass der Strom in der ersten Schleife ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum einen Strom in der zweiten Schleife induziert, jedoch nur für einen Augenblick, wenn sich das Magnetfeld ändert. Wenn Sie den Schalter ausschalten, lenkt das Messgerät vorübergehend in die entgegengesetzte Richtung ab., Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, dass es die Änderung der Intensität des Magnetfeldes und nicht seine Stärke oder Bewegung ist, die den Strom induziert.
Die Erklärung dafür ist, dass ein Magnetfeld Elektronen in einem Leiter bewegt. Diese Bewegung kennen wir als elektrischen Strom. Schließlich erreichen die Elektronen jedoch einen Punkt, an dem sie sich im Gleichgewicht mit dem Feld befinden und an dem sie aufhören, sich zu bewegen. Wenn das Feld entfernt oder ausgeschaltet wird, fließen die Elektronen an ihren ursprünglichen Ort zurück und erzeugen einen Strom in die entgegengesetzte Richtung.,
Im Gegensatz zu einem Gravitations-oder elektrischen Feld ist ein magnetisches Dipolfeld eine komplexere 3-dimensionale Struktur, die je nach Messort in Stärke und Richtung variiert, sodass Kalkül erforderlich ist, um es vollständig zu beschreiben. Wir können jedoch einen vereinfachten Fall eines gleichmäßigen Magnetfeldes — beispielsweise eines sehr kleinen Abschnitts eines sehr großen Feldes — als ΦB = BA beschreiben, wobei ΦB der absolute Wert des Magnetflusses ist, B die Stärke des Feldes ist und A ein definierter Bereich ist, durch den das Feld verläuft., Umgekehrt ist in diesem Fall die Stärke eines Magnetfeldes der Fluss pro Flächeneinheit oder B = ΦB/A.
Faradays Gesetz
Nachdem wir nun ein grundlegendes Verständnis des Magnetfeldes haben, sind wir bereit, Faradays Induktionsgesetz zu definieren. Es besagt, dass die induzierte Spannung in einer Schaltung proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch diese Schaltung im Laufe der Zeit ist. Mit anderen Worten, je schneller sich das Magnetfeld ändert, desto größer ist die Spannung in der Schaltung. Die Richtung der Änderung des Magnetfeldes bestimmt die Richtung des Stroms.,
Wir können die Spannung erhöhen, indem wir die Anzahl der Schleifen im Stromkreis erhöhen. Die induzierte Spannung in einer Spule mit zwei Schleifen ist doppelt so hoch wie bei einer Schleife und bei drei Schleifen dreifach. Aus diesem Grund haben echte Motoren und Generatoren typischerweise eine große Anzahl von Spulen.
Theoretisch sind Motoren und Generatoren gleich. Wenn Sie einen Motor drehen, erzeugt er Strom, und wenn Sie Spannung an einen Generator anlegen, wird er sich drehen. Die meisten realen Motoren und Generatoren sind jedoch nur für eine Funktion optimiert.,
Transformatoren
Eine weitere wichtige Anwendung des Faradayschen Induktionsgesetzes ist der von Nikola Tesla erfundene Transformator. Bei dieser Vorrichtung wird Wechselstrom, der die Richtung mehrmals pro Sekunde ändert, durch eine Spule gesendet, die um einen Magnetkern gewickelt ist. Dies erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld im Kern, das wiederum einen Strom in der Spule induziert, der um einen anderen Teil desselben Magnetkerns gewickelt ist.,
Das Verhältnis der Windungszahl in den Spulen bestimmt das Verhältnis der Spannung zwischen Eingangs-und Ausgangsstrom. Wenn wir beispielsweise einen Transformator mit 100 Umdrehungen auf der Eingangsseite und 50 Umdrehungen auf der Ausgangsseite nehmen und einen Wechselstrom mit 220 Volt eingeben, beträgt der Ausgang 110 Volt., Laut Hyperphysik kann ein Transformator die Leistung nicht erhöhen, was das Produkt von Spannung und Strom ist, also wenn die Spannung erhöht wird, wird der Strom proportional abgesenkt und umgekehrt. In unserem Beispiel würde ein Eingang von 220 Volt bei 10 Ampere oder 2.200 Watt eine Leistung von 110 Volt bei 20 Ampere erzeugen, wiederum 2.200 Watt. In der Praxis sind Transformatoren nie perfekt effizient, aber ein gut entworfener Transformator hat typischerweise einen Leistungsverlust von nur wenigen Prozent, nach der University of Texas.,
Transformatoren ermöglichen das Stromnetz, auf das wir für unsere industrielle und technologische Gesellschaft angewiesen sind. Cross-Country – Übertragungsleitungen arbeiten mit Hunderttausenden von Volt, um mehr Leistung innerhalb der stromführenden Grenzen der Drähte zu übertragen. Diese Spannung wird wiederholt mit Transformatoren an Verteilerstationen heruntergefahren, bis sie Ihr Haus erreicht, wo sie schließlich auf 220 und 110 Volt heruntergefahren wird, mit denen Ihr Elektroherd und Ihr Computer betrieben werden können.