Kas Yra Faradėjaus Indukcijos Dėsnis?

{h1}

Faradėjaus indukcijos dėsnis apibūdina, kaip elektros srovė sukuria magnetinį lauką, ir, atvirkščiai, kaip kintantis magnetinis laukas sukuria elektros srovę laidininkui.

Faradėjaus indukcijos dėsnis apibūdina, kaip elektros srovė sukuria magnetinį lauką ir, atvirkščiai, kaip kintantis magnetinis laukas sukuria elektros srovę laidininkui. Anglų fizikas Michaelas Faradėjus gauna kreditą už tai, kad 1830 m. Atrado magnetinę indukciją; tačiau, pasak Teksaso universiteto, amerikiečių fizikas Josephas Henry nepriklausomai padarė tą patį atradimą maždaug tuo pačiu metu.

Neįmanoma pervertinti Faradėjaus atradimo svarbos. Magnetinė indukcija suteikia galimybę naudoti elektros variklius, generatorius ir transformatorius, kurie yra šiuolaikinių technologijų pagrindas. Suprasdami ir naudodamiesi indukcija, turime elektros tinklą ir daugelį dalykų, kuriuos mes į jį įjungiame.

Faraday dėsnis vėliau buvo įtrauktas į išsamesnes Maxwello lygtis, teigia Kolorado universiteto Boulderio fizikos profesorius Michaelas Dubsonas. Maksvelo lygtis sukūrė škotų fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas, kad paaiškintų elektros ir magnetizmo ryšį, iš esmės sujungdamas juos į vieną elektromagnetinę jėgą ir apibūdindamas elektromagnetines bangas, sudarančias radijo bangas, matomą šviesą ir rentgeno spindulius.

Elektra

Anot Ročesterio technologijos instituto, elektros krūvis yra pagrindinė materijos savybė. Nors sunku apibūdinti, kas tai yra iš tikrųjų, mes gana gerai žinome, kaip ji elgiasi ir sąveikauja su kitais mokesčiais ir laukais. Elektrinis laukas iš lokalinio taškinio krūvio yra gana paprastas, teigia Pitsburgo valstybinio universiteto fizikos profesorius Serifas Uranas. Jis apibūdina jį kaip vienodai spinduliuojantį visomis kryptimis, kaip šviesa iš plikos lemputės, ir mažėjantis stiprumas kaip atvirkštinis atstumo kvadratas (1 /r2), vadovaujantis Kulono įstatymu. Kai judate dvigubai toliau, lauko stiprumas sumažėja iki vienos ketvirtadalio, o kai judate tris kartus toliau, jis sumažėja iki vieno devintojo.

Protonai turi teigiamą krūvį, o elektronai - neigiamą. Tačiau protonai dažniausiai imobilizuojami atominių branduolių viduje, todėl krūvį iš vienos vietos į kitą perneša elektronai. Elektronai laidžioje medžiagoje, tokioje kaip metalas, daugiausia gali laisvai judėti iš vieno atomo prie kito išilgai jų laidumo juostų, kurios yra aukščiausių elektronų orbitos. Pakankama elektromobilio jėga (emf) arba įtampa sukuria krūvio disbalansą, dėl kurio elektronai gali judėti per laidininką iš labiau neigiamo krūvio srities į labiau teigiamo krūvio sritį. Šis judėjimas yra tai, ką mes pripažįstame kaip elektros srovę.

Magnetizmas

Norint suprasti Faradėjaus indukcijos dėsnį, svarbu gerai išmanyti magnetinius laukus. Palyginti su elektriniu lauku, magnetinis laukas yra sudėtingesnis. Teigiami ir neigiami elektros krūviai gali egzistuoti atskirai, tačiau, pasak San Chosės valstybinio universiteto, magnetiniai poliai visada būna poromis - vienas į šiaurę ir vienas į pietus. Paprastai visų dydžių magnetai - nuo subatominių dalelių iki pramoninio dydžio magnetų iki planetų ir žvaigždžių - yra dipoliai, tai reiškia, kad jie abu turi du polius. Šiuos stulpus vadiname šiaurės ir pietų kryptimi, kuria nukreipta kompaso adatos. Įdomu tai, kad priešingi poliai traukia ir kaip stulpai atstumia, Žemės magnetinis šiaurinis polius iš tikrųjų yra pietinis magnetinis polius, nes jis traukia kompaso adatų šiaurinius polius.

Magnetinis laukas dažnai vaizduojamas kaip magnetinio srauto linijos. Juostinio magneto atveju srauto linijos išeina iš šiaurinio poliaus ir kreiviai eina atgal, kad vėl grįžtų prie pietinio poliaus. Šiame modelyje srauto linijų, einančių per tam tikrą paviršių erdvėje, skaičius rodo srauto tankį arba lauko stiprumą. Tačiau reikia pažymėti, kad tai tik pavyzdys. Magnetinis laukas yra lygus ir nenutrūkstamas ir iš tikrųjų nesusideda iš atskirų linijų.

Magnetinio lauko linijos iš juostinio magneto.

Magnetinio lauko linijos iš juostinio magneto.

Kreditas: „Snapgalleria Shutterstock“

Žemės magnetinis laukas sukuria didžiulį magnetinio srauto kiekį, tačiau jis yra išsklaidytas didžiuliame erdvės tūryje. Todėl per nurodytą plotą praeina tik nedidelis srauto kiekis, todėl laukas yra gana silpnas. Palyginimui, palyginti su Žeme, srautas iš šaldytuvo magneto yra mažas, tačiau jo lauko stipris yra daug kartų stipresnis artimoje nuotolyje, kur jo srauto linijos yra daug tankesnės. Tačiau tolstant, laukas greitai tampa daug silpnesnis.

Indukcija

Jei per laidą tekame elektros srovę, aplink laidą susidarys magnetinis laukas. Šio magnetinio lauko kryptį gali nustatyti dešinės rankos taisyklė. Pasak Niujorko Bafalo valstijos universiteto fizikos skyriaus, jei ištiesiate nykštį ir sulenkite dešinės rankos pirštus, nykštys nukreiptas teigiama srovės kryptimi, o pirštai garbanojasi šiaurine magnetinio lauko kryptimi..

Kairės ir dešinės rankos magnetinio lauko taisyklė dėl srovės tiesia viela.

Kairės ir dešinės rankos magnetinio lauko taisyklė dėl srovės tiesia viela.

Kreditas: Fouad A. Saad Shutterstock

Jei sulenksite laidą į kilpą, magnetinio lauko linijos sulenks su juo, sudarydamos toroidą arba spurgos formą. Tokiu atveju nykštis nukreiptas į šiaurinę magnetinio lauko, išeinančio iš kilpos centro, pusę, o jūsų pirštai bus nukreipti teigiama srovės kryptimi kilpoje.

Esant dabartinei žiedinei kilpai (a), dešinės rankos taisyklė nurodo magnetinio lauko kryptį kilpoje ir išorėje. b) Išsamesnis lauko žemėlapis, panašus į juostos magneto.

Esant dabartinei žiedinei kilpai (a), dešinės rankos taisyklė nurodo magnetinio lauko kryptį kilpoje ir išorėje. b) Išsamesnis lauko žemėlapis, panašus į juostos magneto.

Kreditas: „OpenStax“

Jei mes vykdome srovę per vielos kilpą magnetiniame lauke, šių magnetinių laukų sąveika sukels sukimo jėgą arba sukimo momentą kilpai, sukeliančiai jos sukimąsi, teigia Ročesterio technologijos institutas. Tačiau kol kas jis suksis tik tol, kol magnetiniai laukai bus suderinti. Jei norime, kad kilpa ir toliau suktųsi, turime pakeisti srovės kryptį, kuri pakeis magnetinio lauko kryptį iš kilpos. Tada kilpa pasisuks 180 laipsnių, kol jos laukas bus išlygintas kita kryptimi. Tai yra elektros variklio pagrindas.

Ir atvirkščiai, jei mes pasukame laido kilpą magnetiniame lauke, lauke indukuosime elektros srovę. Srovės kryptis pasikeis kas pusę posūkio, sukuriant kintamąją srovę. Tai yra elektros generatoriaus pagrindas. Reikėtų pažymėti, kad srovę sukelia ne laido judėjimas, o kilpos atidarymas ir uždarymas lauko krypties atžvilgiu. Kai kilpa nukreipta į lauką, maksimalus srauto kiekis praeina per kilpą. Tačiau, kai kilpa yra pasukta į lauką, srauto linijos pro kilpą nejuda. Būtent šis srauto, praeinančio per kilpą, kiekio pokytis sukelia srovę.

Kitas eksperimentas, kurį galime atlikti, yra suformuoti vielą į kilpą ir sujungti galus su jautriu srovės matuokliu arba galvanometru. Jei tada paspausime strypo magnetą per kilpą, adata galvanometre pajudės, nurodydama indukuotą srovę. Tačiau sustabdžius magneto judesį, srovė grįžta į nulį. Laukas iš magneto sukels srovę tik tada, kai ji didės arba mažės. Jei mes ištrauksime magnetą atgal, jis vėl sukels laidą srovėje, tačiau šį kartą jis bus priešinga kryptimi.

Magnetas vielinėje kilpoje, sujungtoje su galvanometru.

Magnetas vielinėje kilpoje, sujungtoje su galvanometru.

Kreditas: Fouad A. Saad Shutterstock

Jei mes į elektros grandinę įdėtume lemputę, ji išsklaidytų elektros energiją šviesos ir šilumos pavidalu ir jaustume pasipriešinimą magneto judesiui, kai jį perkelkime į kilpą ir iš jo. Norėdami judinti magnetą, turime atlikti darbą, kuris yra lygiavertis energijai, kurią naudoja lemputė.

Dar viename eksperimente galime sukonstruoti dvi vielos kilpas, vienos jungties galus prijungti prie akumuliatoriaus, o kitos kilpos galus prijungti prie galvanometro. Jei mes sudėsime dvi kilpas arti vienas kito, nukreipdami akis į akį, ir įjungsime maitinimą į pirmąją kilpą, galvanometras, sujungtas su antrąja kilpa, parodys indukuotą srovę ir tada greitai grįš į nulį.

Tai, kas vyksta čia, yra tai, kad srovė pirmojoje kilpoje sukuria magnetinį lauką, kuris savo ruožtu indukuoja srovę antroje kilpoje, tačiau tik akimirksniu, kai keičiasi magnetinis laukas. Išjungus jungiklį, matuoklis akimirksniu nukryps priešinga kryptimi. Tai yra dar vienas požymis, kad srovę indukuoja magnetinio lauko intensyvumo pokyčiai, o ne jo stiprumas ar judesys.

Tai paaiškinama tuo, kad magnetinis laukas sukelia laidininko elektronų judėjimą. Šį judesį mes žinome kaip elektros srovę. Vis dėlto galiausiai elektronai pasiekia tašką, kuriame jie yra pusiausvyroje su lauku, kuriame jie nustos judėti. Kai laukas bus pašalintas arba išjungtas, elektronai vėl tekės į pradinę vietą, sukurdami priešingą pusę srovę.

Skirtingai nuo gravitacinio ar elektrinio lauko, magnetinis dipolio laukas yra sudėtingesnė 3 matmenų struktūra, kurios stiprumas ir kryptis skiriasi priklausomai nuo to, kur ji matuojama, todėl norint jį išsamiai apibūdinti, reikia skaičiuoti. Tačiau supaprastintą vienodo magnetinio lauko atvejį - pavyzdžiui, labai mažą labai didelio lauko ruožą - galime apibūdinti kaip ΦB = BA, kur ΦB yra absoliuti magnetinio srauto vertė, B yra lauko stiprumas, ir A yra apibrėžta sritis, per kurią laukas praeina. Ir atvirkščiai, šiuo atveju magnetinio lauko stipris yra srautas ploto vienete, arba B = ΦB/A.

Faradėjaus dėsnis

Dabar, kai mes turime pagrindinį supratimą apie magnetinį lauką, mes esame pasirengę apibrėžti Faradėjaus indukcijos dėsnį. Jame teigiama, kad indukuota įtampa grandinėje yra proporcinga magnetinio srauto per tą grandinę kitimo greičiui bėgant. Kitaip tariant, kuo greičiau keičiasi magnetinis laukas, tuo didesnė bus įtampa grandinėje. Magnetinio lauko pokyčio kryptis lemia srovės kryptį.

Mes galime padidinti įtampą, padidindami kilpų skaičių grandinėje. Indukcinė įtampa ritėje su dviem kilpomis bus dvigubai didesnė nei su viena kilpa, o su trimis kilpomis ji bus triguba. Štai kodėl tikruose varikliuose ir generatoriuose paprastai yra daug ritių.

Teoriškai varikliai ir generatoriai yra vienodi. Jei pasukite variklį, jis generuos elektrą, o generatoriui pritaikius įtampą, jis pasisuks. Tačiau dauguma realių variklių ir generatorių yra optimizuoti tik vienai funkcijai.

Transformatoriai

Kitas svarbus Faradėjaus indukcijos įstatymo pritaikymas yra transformatorius, kurį išrado Nikola Tesla. Šiame įrenginyje per ritę, apvyniotą aplink magnetinę šerdį, siunčiama kintamoji srovė, kuri keičia kryptį daug kartų per sekundę. Tai sukuria kintantį magnetinį lauką šerdyje, kuris savo ruožtu indukuoja srovę antroje ritėje, apvyniotoje aplink skirtingą tos pačios magnetinės šerdies dalį.

Transformatoriaus schema

Transformatoriaus schema

Kreditas: „photoiconix Shutterstock“

Apsisukimų skaičiaus ritėse santykis lemia įtampos santykį tarp įvesties ir išėjimo srovės. Pvz., Jei mes paimsime transformatorių, kurio įėjimo pusėje yra 100 apsisukimų, o išėjimo pusėje - 50, ir įvesime kintamąją srovę esant 220 voltų, išėjimas bus 110 voltų. Remiantis hiperfizika, transformatorius negali padidinti galios, kuri yra įtampos ir srovės sandauga, taigi, jei įtampa padidėja, srovė proporcingai sumažėja ir atvirkščiai. Mūsų pavyzdyje, jei įtampa būtų 220 voltų 10 amperų arba 2200 vatų, išeitų 110 voltų galia esant 20 amperų ir vėl 22200 vatų. Praktikoje, pasak Teksaso universiteto, transformatoriai niekada nebūna tobulai veiksmingi, tačiau gerai suprojektuoto transformatoriaus energija galią prarasti tik keliais procentais.

Transformatoriai suteikia galimybę naudoti elektros tinklus, nuo kurių priklausome savo pramonės ir technologijų visuomenei. Visureigių perdavimo linijos veikia šimtais tūkstančių voltų, kad galėtų perduoti daugiau galios per laidų srovės ribas. Ši įtampa pakartotinai sumažinama naudojant transformatorius paskirstymo pastotėse, kol pasiekia jūsų namą, kur galiausiai sumažinama iki 220 ir 110 voltų, kurie gali paleisti jūsų elektrinę viryklę ir kompiuterį.

Papildomi resursai

  • Kolorado universitetas: Interaktyvus Faradėjaus įstatymo modeliavimas
  • Teksaso universitetas: elektromagnetizmas ir optika
  • Garsūs mokslininkai: Michaelas Faradėjus


Vaizdo Papildas: Elektromagnetinė indukcija.




Tyrimas


Kodėl Matymas Aplink Kampus Gali Tapti „Supervalstybe“
Kodėl Matymas Aplink Kampus Gali Tapti „Supervalstybe“

Nepaprastieji, Vandenilį Sutraukiantys Fizikai Verčia Mus Į „Naują Superlaidumo Erą“
Nepaprastieji, Vandenilį Sutraukiantys Fizikai Verčia Mus Į „Naują Superlaidumo Erą“

Mokslas Naujienos


Tiesiog Pridėkite Šilumos: Nauji 4D Atspausdinti Objektai „Morph“ Ant Lagamino
Tiesiog Pridėkite Šilumos: Nauji 4D Atspausdinti Objektai „Morph“ Ant Lagamino

„Shark By Satellite“: „Hammerhead“ „Fintastic“ Kelionė Stebima
„Shark By Satellite“: „Hammerhead“ „Fintastic“ Kelionė Stebima

Keisto Gyvenimo Jūroje Paieška: Klausimai Ir Atsakymai Su Jūrų Biologu
Keisto Gyvenimo Jūroje Paieška: Klausimai Ir Atsakymai Su Jūrų Biologu

2011 M. Virdžinijos Žemės Drebėjimą Pajuto Trečdalis Jav
2011 M. Virdžinijos Žemės Drebėjimą Pajuto Trečdalis Jav

10 Rūšių, Kurios Kelia Didžiulį Pavojų, Bus Pažymėtos Riboto Leidimo Marškinėliais
10 Rūšių, Kurios Kelia Didžiulį Pavojų, Bus Pažymėtos Riboto Leidimo Marškinėliais


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com