Michael Faraday var en vetenskapsman vars arbete har haft en djupgående inverkan på fysik och ingenjörskonst. Tack vare hans upptäckt är många elektriska och elektroniska apparater som vi använder i vårt dagliga liv baserade på Faradays lag. Denna lag beskriver fenomenet elektromagnetisk induktion, där en elektrisk ström induceras i en krets när magnetfältet som passerar genom den ändras. Faradays lag är väsentlig för att förstå hur elektricitet genereras i generatorer och hur viktiga enheter som transformatorer och elmotorer fungerar.
I den här artikeln kommer vi att utforska i detalj Funktioner, tillämpningar och betydelsen av Faradays lag, såväl som dess inverkan på nuvarande teknik.
Huvudkännetecken för Faradays lag
Elektriska laddningar i rörelse upplever en kraft i ett magnetfält. Denna princip är nyckeln till att beskriva hur Faradays lag fungerar. Ett tydligt exempel är en tråd som leder ström, där rörliga elektroner interagerar med magnetfältet. Om vi flyttar en tråd inom ett magnetfält eller ändrar fältets styrka över tid, kommer en ström att genereras i tråden.
La Faradays lag kvantifierar detta förhållande mellan förändringen i magnetfältet och den inducerade strömmen. Dess uttalande säger: "Spänningen som induceras i en sluten krets är direkt proportionell mot förändringshastigheten för det magnetiska flödet som korsar en yta som avgränsas av nämnda krets.".
Begreppet flujo magnetico är nyckeln här. Magnetiskt flöde är mängden magnetfält som passerar genom en yta, och varje förändring av detta värde på grund av tidsmässiga eller rumsliga variationer i magnetfältet inducerar en fuerza electromotriz (EMF) i kretsen.
Demonstration av Faradays lag: Det klassiska experimentet
Faraday utförde flera experiment för att demonstrera fenomenet elektromagnetisk induktion. En av de mest kända är två trådslingor lindade runt en järnring. När en ström flyter i den första spolen genereras ett magnetfält som passerar genom ringen och når den andra spolen. När strömmen i den första spolen ändras ändras även magnetfältet, vilket inducerar en ström i den andra spolen. Detta fenomen kan lätt observeras med en galvanometer, som registrerar den inducerade strömmen i den andra spolen.
Från detta experiment formulerade Faraday grunden för lagen om elektromagnetisk induktion. En nyckelpoäng som framgår av deras experiment är det ett ständigt föränderligt magnetfält genererar ett elektriskt fält, och detta är vad som resulterar i induktionen av strömmen.
Vidare är denna princip grundläggande för Lenz lag, som säger att inducerad ström I en krets som styrs av variationen av ett magnetfält genererar den ett elektromagnetiskt fält som motverkar förändringen som producerar det.
Förhållandet mellan elektricitet och magnetism: Faraday och Maxwells lag
En av Michael Faradays största prestationer var att experimentellt demonstrera förhållandet mellan elektriska fält y magnetiska fält. Före hans arbete sågs elektricitet och magnetism som separata fenomen. Faraday visade dock att ett föränderligt magnetfält genererar ett elektriskt fält, vilket öppnar dörren till en enhetlig förståelse av dessa två fenomen. Detta arbete användes senare av den skotske fysikern James Clerk Maxwell att formulera Maxwell ekvationer, som är grunden för modern elektromagnetisk teori.
Maxwells ekvationer inkluderar Faradays lag och beskriver hur elektromagnetiska fält interagerar med elektriska laddningar och hur föränderliga magnetfält kan generera elektriska fält, och vice versa.
Faradays lagformel
Faradays lag uttrycks matematiskt enligt följande:
EMF (Ɛ) = -dϕ/dt
Var:
- EMF (Ɛ): Elektromotorisk kraft eller inducerad spänning.
- dϕ/dt: Derivat av det magnetiska flödet med avseende på tid.
Det negativa tecknet i ekvationen representerar Lenz lag, vilket indikerar att den inducerade strömmen alltid har en sådan riktning att den motverkar förändringen i det magnetiska flödet som orsakar den.
Begreppet magnetiskt flöde, symboliserat med ϕ, är nyckeln till att förstå denna ekvation. Det magnetiska flödet kan definieras som produkten av magnetfältet och arean vinkelrät mot fältets riktning. Förändringshastigheten för detta flöde, antingen genom att ändra fält eller område, är det som inducerar en elektrisk ström.
Tillämpningar av Faradays lag i vardagen
Faradays lag har många tillämpningar som påverkar våra dagliga liv, eftersom den är grunden för mycket av modern teknik. Här är några viktiga exempel:
- Elektriska generatorer: Elektriska generatorer omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi med hjälp av principen om elektromagnetisk induktion. I dessa enheter roterar en trådspole inom ett magnetfält, vilket inducerar en elektrisk ström.
- Elektriska transformatorer: Transformatorer är enheter som med hjälp av elektromagnetisk induktion modifierar växelströmsspänningen, vilket gör att elektricitet kan transporteras över långa avstånd effektivt.
- Elektromagnetisk induktion i köket: Induktionshällar använder principen i Faradays lag för att generera värme i metallbehållare genom strömmar inducerade av magnetfält.
- Trådlös laddning: Många trådlösa laddningstekniker, inklusive de som används i mobila enheter, förlitar sig på principen om elektromagnetisk induktion för att överföra ström trådlöst.
Samband mellan induktion och magnetisk kraft
Faradays lag är också relaterad till den magnetiska kraft som verkar på laddade partiklar. Om vi betraktar en fri elektron som rör sig i en tråd och placerar tråden i ett magnetfält, genererar rörelsen av tråden vinkelrätt mot magnetfältet en kraft på elektronen. Denna kraft är det som orsakar den inducerade strömmen i tråden.
Nyckeln är att även om magnetfältet inte fungerar direkt, genererar dess interaktion med laddningarnas rörelse fenomenet elektromagnetisk induktion. Vidare justeras riktningen för den inducerade strömmen för att motverka förändringen i magnetfältet, i enlighet med Lenz' lag.
Faradays lag och hans princip om elektromagnetisk induktion är väsentliga för mycket av den teknik vi använder idag. Från elektriska generatorer till trådlös laddning, magnetiska och elektriska fält är djupt sammanflätade tack vare denna lag som upptäckts av den briljante vetenskapsmannen Michael Faraday.