Michael Faraday tudós volt, akinek munkája mély hatást gyakorolt a fizikára és a mérnöki tudományokra. Felfedezésének köszönhetően számos elektromos és elektronikus eszköz alapul, amelyeket mindennapi életünkben használunk Faraday törvénye. Ez a törvény azt a jelenséget írja le elektromágneses indukció, amelyben az áramkörben elektromos áram indukálódik, amikor az áthaladó mágneses tér megváltozik. Faraday törvénye elengedhetetlen ahhoz, hogy megértsük, hogyan keletkezik villamos energia a generátorokban, és hogyan működnek a kulcsfontosságú eszközök, például a transzformátorok és az elektromos motorok.
Ebben a cikkben részletesen megvizsgáljuk a A Faraday-törvény jellemzői, alkalmazásai és jelentősége, valamint hatása a jelenlegi technológiára.
Faraday törvényének főbb jellemzői
A mozgásban lévő elektromos töltések egy mágneses mezőn belüli erőt fejtenek ki. Ez az elv kulcsfontosságú a Faraday-törvény működésének leírásához. Jó példa erre az áramot hordozó vezeték, ahol a mozgó elektronok kölcsönhatásba lépnek a mágneses mezővel. Ha egy vezetéket egy mágneses téren belül mozgatunk, vagy idővel megváltoztatjuk a tér erősségét, akkor a vezetékben áram keletkezik.
La Faraday törvénye számszerűsíti ezt a kapcsolatot a mágneses tér változása és az indukált áram között. A közleménye így szól: "A zárt áramkörben indukált feszültség egyenesen arányos annak a mágneses fluxusnak a változási sebességével, amely áthalad az áramkör által határolt felületen.".
A koncepció a mágneses fluxus itt a kulcs. A mágneses fluxus az a mágneses mező mennyisége, amely áthalad a felületen, és ennek az értéknek a mágneses tér időbeli vagy térbeli változásai miatti változása elektromotoros erő (EMF) az áramkörben.
Faraday törvényének bemutatása: A klasszikus kísérlet
Faraday számos kísérletet végzett az elektromágneses indukció jelenségének bemutatására. Az egyik legismertebb két huzaltekercset tartalmaz egy vasgyűrű köré. Amikor áram folyik az első tekercsben, mágneses mező keletkezik, amely áthalad a gyűrűn, és eléri a második tekercset. Amikor az első tekercsben az áramerősség megváltozik, a mágneses mező is megváltozik, áramot indukálva a második tekercsben. Ez a jelenség könnyen megfigyelhető galvanométerrel, amely a második tekercsben indukált áramot rögzíti.
Ebből a kísérletből Faraday megfogalmazta az elektromágneses indukció törvényének alapját. A kísérleteikből kirajzolódó kulcsfontosságú pont az a folyamatosan változó mágneses tér elektromos teret hoz létre, és ez az áram indukcióját eredményezi.
Ezenkívül ez az elv alapvető Lenz törvényében, amely kimondja indukált áram A mágneses tér változása által irányított áramkörben olyan elektromágneses teret hoz létre, amely ellenzi az azt előidéző változást.
Az elektromosság és a mágnesesség kapcsolata: Faraday és Maxwell törvénye
Michael Faraday egyik legnagyobb vívmánya az volt, hogy kísérletileg demonstrálta az egymás közötti kapcsolatot campos electricos y mágneses mezők. Munkássága előtt az elektromosságot és a mágnesességet különálló jelenségnek tekintették. Faraday azonban megmutatta, hogy a változó mágneses tér elektromos mezőt hoz létre, ami megnyitja az ajtót e két jelenség egységes megértéséhez. Ezt a munkát később a skót fizikus is felhasználta James Clerk Maxwell megfogalmazni a Maxwell-egyenletek, amelyek a modern elektromágneses elmélet alapját képezik.
A Maxwell-egyenletek magukban foglalják Faraday törvényét, és leírják, hogy az elektromágneses mezők hogyan lépnek kölcsönhatásba az elektromos töltésekkel, és hogyan generálhatnak a változó mágneses mezők elektromos mezőket, és fordítva.
Faraday törvény képlete
Faraday törvényét matematikailag a következőképpen fejezzük ki:
EMF (Ɛ) = -dϕ/dt
ahol:
- EMF (Ɛ): Elektromotoros erő vagy indukált feszültség.
- dϕ/dt: A mágneses fluxus deriváltja az idő függvényében.
Az egyenlet negatív előjele a Lenz törvénye, ami azt jelzi, hogy az indukált áramnak mindig olyan iránya van, hogy ellenzi az azt okozó mágneses fluxus változását.
A mágneses fluxus fogalma, amelyet ϕ jelképez, a kulcs az egyenlet megértéséhez. A mágneses fluxus a mágneses tér és az említett tér irányára merőleges terület szorzataként határozható meg. Ennek a fluxusnak a változási sebessége, akár a mező, akár a terület megváltoztatásával indukál elektromos áramot.
Faraday törvényének alkalmazása a mindennapi életben
Faraday törvényének számos olyan alkalmazása van, amelyek hatással vannak mindennapi életünkre, mivel ez a modern technológia nagy részének alapja. Íme néhány kulcsfontosságú példa:
- Elektromos generátorok: Az elektromos generátorok a mechanikai energiát elektromos energiává alakítják az elektromágneses indukció elve alapján. Ezekben az eszközökben egy huzaltekercs forog a mágneses térben, ami elektromos áramot indukál.
- Elektromos transzformátorok: A transzformátorok olyan eszközök, amelyek elektromágneses indukció segítségével módosítják a váltakozó áram feszültségét, lehetővé téve az elektromosság nagy távolságokra történő hatékony szállítását.
- Elektromágneses indukció a konyhában: Az indukciós tűzhelyek a Faraday-törvény elvét alkalmazzák, hogy fémtartályokban hőt termeljenek a mágneses mezők által indukált áramok révén.
- Vezeték nélküli töltés: Számos vezeték nélküli töltési technológia, beleértve a mobileszközökben használtakat is, az elektromágneses indukció elvén támaszkodik az energia vezeték nélküli átviteléhez.
Az indukció és a mágneses erő kapcsolata
Faraday törvénye a töltött részecskékre ható mágneses erővel is összefügg. Ha figyelembe vesszük a vezetékben mozgó szabad elektront, és az említett vezetéket mágneses térbe helyezzük, akkor a vezetéknek a mágneses térre merőleges mozgása erőt hoz létre az elektronon. Ez az erő okozza az indukált áramot a vezetékben.
A lényeg az, hogy bár a mágneses tér közvetlenül nem működik, a töltések mozgásával való kölcsönhatása az elektromágneses indukció jelenségét generálja. Ezenkívül az indukált áram irányát úgy állítják be, hogy ellenezze a mágneses tér változását, összhangban a Lenz-törvénnyel.
Faraday törvénye és az elektromágneses indukció elve alapvető fontosságú a ma használt technológia nagy részében. Az elektromos generátoroktól a vezeték nélküli töltésig a mágneses és az elektromos mezők mélyen összefonódnak ennek a törvénynek köszönhetően, amelyet Michael Faraday fedezett fel.