Faraday qanunu
Penqantar
Faradayın elektromaqnit induksiyası qanunu, dəyişən maqnit sahəsinin keçiricidə elektrik cərəyanı yarada biləcəyini təsvir edən fizikada fundamental bir prinsipdir. 1831-ci ildə Maykl Faraday tərəfindən kəşf edilən bu qanun elektromaqnetizmin əsas sütunlarından biridir və elektrik generatorları və transformatorları kimi müasir texnologiyalarda çoxsaylı tətbiqlərə malikdir. Bu məqalədə Faraday qanununun arxasındakı nəzəriyyə, onu dəstəkləyən təcrübələr və müxtəlif praktik tətbiqlər ətraflı şəkildə izah ediləcək.
Əsas Nəzəriyyə
Faraday qanununun tərifi
Faraday qanunu, qapalı dövrədə induksiya edilən elektromotor qüvvəsinin (EMQ) dövrədəki maqnit axınının dəyişmə sürəti ilə mütənasib olduğunu bildirir. Riyazi olaraq, bu qanun aşağıdakı kimi ifadə olunur:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Harada:
– \( \mathcal{E} \) induksiya olunmuş EMF-dir (voltla),
– \( \Phi_B \) maqnit axınıdır (veberlərdə),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) maqnit axınının dəyişmə sürətidir.
Bu tənlikdəki mənfi işarə, induksiya edilmiş EMF-in istiqamətinin həmişə ona səbəb olan maqnit axınındakı dəyişikliyə qarşı çıxacaq şəkildə olduğunu bildirən Lenz qanunundan irəli gəlir.
Maqnit axını
Maqnit axını \( \Phi_B \) müəyyən bir sahədən keçən maqnit sahəsinin miqdarının ölçüsüdür. Maqnit axını aşağıdakı kimi müəyyən edilir:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \]
Harada:
– \( B \) maqnit sahəsidir (Tesla dilində),
– \( A \) maqnit sahəsinin keçdiyi sahədir (kvadrat metrlə),
– \( \theta \) maqnit sahəsi ilə sahəyə perpendikulyar olan xətt arasındakı bucaqdır.
Lenz qanunu
Lenz qanunu induksiya edilmiş EMF-in və yaranan cərəyanın istiqamətini verir. Lenz qanununa görə, dövrədə induksiya edilmiş cərəyan, ona səbəb olan maqnit axınındakı dəyişikliyə qarşı çıxan bir maqnit sahəsi yaradacaq. Riyazi olaraq, bu, Faraday qanunu tənliyində mənfi işarə ilə ifadə olunur.
Faraday təcrübəsi
Elektromaqnit induksiyasının kəşfi
Maykl Faradey 1831-ci ildə maqnit sahələri ilə elektrik cərəyanları arasındakı əlaqəni öyrənmək üçün bir sıra təcrübələr aparmışdır. Faradey-in əsas təcrübələrindən biri qalvanometrə (elektrik cərəyanını ölçmək üçün cihaz) və çubuqlu maqnitə qoşulmuş naqil rulonu ilə bağlı idi. Faradey çubuqlu maqnit rulona doğru və ya ondan uzaqlaşdırıldıqda, rulonda elektrik cərəyanının induksiya olunduğunu və bunun qalvanometr tərəfindən aşkarlandığını kəşf etmişdir.
Eksperimental Variasiyalar
Faraday, dəmir nüvənin ətrafına sarılmış iki tel rulonu istifadə edərək bu təcrübənin bir variantını da həyata keçirdi. Birinci rulondan (birinci rulon) elektrik cərəyanı keçdikdə, yaranan maqnit sahəsi ikinci rulonda (ikinci rulon) elektrik cərəyanı yaratdı. Faraday, rulonlardakı dəyişən maqnit sahəsinin induksiya edilmiş elektrik cərəyanının səbəbi olduğu qənaətinə gəldi.
Faraday qanununun tətbiqi
Elektrik generatoru
Elektrik generatoru Faraday qanununun əsas tətbiqlərindən biridir. Generatorlar elektromaqnit induksiyası prinsipi vasitəsilə mexaniki enerjini elektrik enerjisinə çevirir. Naqil rulonu maqnit sahəsində fırlandıqda, rulon boyunca dəyişən maqnit axını elektrik cərəyanını induksiya edən bir EMF yaradır.
1. AC (Dəyişən Cərəyan) Generatoru
– İş prinsipi: AC generatoru daimi maqnit və ya elektromaqnit tərəfindən yaradılan maqnit sahəsindən istifadə edir. Bobin maqnit sahəsində fırlandıqda, bobin üzərindəki maqnit axını dəyişir və bu da alternativ cərəyan yaradır.
– Tətbiqlər: AC generatorları irimiqyaslı elektrik stansiyalarında, külək turbinlərində və portativ generatorlarda istifadə olunur.
2. DC (Birbaşa Cərəyan) Generatoru
– İş prinsipi: DC generatoru, bobin içində induksiya olunmuş alternativ cərəyanı sabit cərəyana çevirmək üçün kommutatordan istifadə edir. Kommutator cərəyanın bir istiqamətdə axmasını təmin edən mexaniki cihazdır.
– Tətbiqlər: DC generatorları batareya doldurma, təcili enerji sistemləri və sənaye tətbiqləri kimi tətbiqlərdə istifadə olunur.
transformator
Transformator, elektromaqnit induksiyası prinsipinə əsaslanaraq elektrik paylama sistemindəki gərginliyi dəyişdirən bir cihazdır. Transformator, dəmir nüvənin ətrafına sarılmış iki, birincili və ikincili spiraldan ibarətdir.
– İş prinsipi: Birincil sarğıdan axan elektrik cərəyanı, ikincil sarğıda EMF yaradan maqnit axını yaradır. Birincil və ikincil sarğılardakı növbələrin sayını dəyişdirməklə, gərginlik lazım olduqda artırıla və ya azaldıla bilər.
– Tətbiqlər: Transformatorlar elektrik paylama sistemlərində elektrik gərginliyini artırmaq və ya azaltmaq üçün istifadə olunur və bu da elektrik stansiyalarından istehlakçılara elektrik enerjisinin səmərəli ötürülməsini təmin edir.
Simsiz Şarj
Simsiz şarj, kabellər olmadan enerji ötürmək üçün elektromaqnit induksiyası prinsipindən istifadə edən bir texnologiyadır.
– İş Prinsipi: Simsiz şarj, şarj bobinin yaratdığı maqnit sahəsindən istifadə edərək, cihazın batareyasını doldurmaq üçün istifadə olunan qəbuledici bobində EMF yaradır. Dəyişən maqnit sahəsi, cihazın batareyasını doldurmaq üçün istifadə olunan qəbuledici bobində elektrik cərəyanı yaradır.
– Tətbiqlər: Simsiz şarj smartfonlar, ağıllı saatlar və portativ tibbi cihazlar kimi elektron cihazlarda istifadə olunur.
Əlaqəli Fenomenlər
1. Qabarıq cərəyan effekti
– İş prinsipi: Burulğanlı cərəyanlar, dəyişən maqnit sahəsi tərəfindən keçiricidə induksiya edilən cərəyanlardır. Bu burulğanlı cərəyanlar, onları yaradan maqnit axınındakı dəyişikliyə qarşı çıxan bir maqnit sahəsi yaradır.
– Tətbiqlər: Burulğan cərəyanı elektromaqnit əyləclərdə, metal aşkarlamada və dağıdıcı olmayan sınaqlarda istifadə olunur.
2. Maqnitorezistentlik
– İş prinsipi: Maqnitorezistans, xarici maqnit sahəsinin təsiri altında materialın elektrik müqavimətindəki dəyişiklikdir. Bu fenomen məlumatların saxlanması texnologiyasında və maqnit sensorlarında istifadə olunur.
– Tətbiqlər: Maqnitorezistans sərt disklərdə, sürət sensorlarında və mövqe sensor sistemlərində istifadə olunur.
3. Hall effekti
– İş prinsipi: Holl effekti, keçiricidəki elektrik cərəyanına perpendikulyar olan maqnit sahəsinin keçirici üzərində gərginlik fərqi yaratdığı bir fenomendir. Bu gərginlik Holl gərginliyi adlanır.
– Tətbiqlər: Holl effekti Holl sensorlarında maqnit sahələrini, sürəti və mövqeyi ölçmək üçün istifadə olunur.
Qabaqcıl Texnologiya Tətbiqləri
Tibbi Texnologiya: MRT (Maqnit Rezonans Görüntüləmə)
MRT, insan bədəninin daxili strukturlarının ətraflı görüntülərini yaratmaq üçün maqnit sahələri və radio dalğalarından istifadə edən tibbi görüntüləmə texnikasıdır.
– Necə işləyir: MRT bədən daxilində protonları istiqamətləndirmək üçün güclü bir maqnit sahəsindən istifadə edir. Maqnit sahəsi açılıb-söndürüldükdə, bu protonlar kompüter tərəfindən çəkilən və təsvirlərə çevrilən siqnallar yayır.
– Tətbiqlər: MRT şişlər, ürək xəstəlikləri və nevroloji xəstəliklər də daxil olmaqla müxtəlif tibbi vəziyyətlərin diaqnozu üçün istifadə olunur. MRT-nin üstünlüyü ionlaşdırıcı şüalanmadan istifadə etmədən yüksək dərəcədə ətraflı görüntülər yaratmaq qabiliyyətidir.
Elektrik mühərriki
Elektrik mühərrikləri, elektromaqnit induksiyası prinsipi üzərində işləyən Faraday qanununun ümumi tətbiqlərindən biridir.
– İş prinsipi: Elektrik mühərrikləri maqnit sahəsində olan bir bobin vasitəsilə elektrik cərəyanı ötürərək işləyir və beləliklə, bobin fırlanmasına səbəb olan bir qüvvə yaradır.
– Tətbiqlər: Elektrik mühərrikləri məişət cihazlarından tutmuş böyük sənaye maşınlarına qədər müxtəlif cihazlarda istifadə olunur.
Nəticə
Faradayın elektromaqnit induksiyası qanunu, dəyişən maqnit sahəsinin keçiricidə elektrik cərəyanı yarada biləcəyini izah edən fizikada əsas prinsipdir. 1831-ci ildə Maykl Faraday tərəfindən kəşf edilən bu qanun, elektrik generatorları, transformatorlar və simsiz texnologiya da daxil olmaqla bir çox müasir texnologiyaların əsasını təşkil etmişdir. Faradayın təcrübələri maqnit sahələri ilə elektrik cərəyanı arasındakı əlaqəni nümayiş etdirdi və bu əlaqə sonradan riyazi olaraq elektromaqnit induksiyası qanunu kimi təsvir edildi.
Faraday Qanununun tətbiqləri genişdir və elektrik enerjisi istehsalı, paylanması, simsiz şarj, tibbi texnologiya və elektrik mühərrikləri kimi sahələri əhatə edir. Burulğanlı cərəyan effekti, maqnitorezistans və Holl effekti kimi əlaqəli hadisələr elektromaqnit induksiyasının elm və texnologiyada geniş yayılmış təsirini nümayiş etdirir. Texnologiya və tədqiqatlar inkişaf etdikcə, Faraday Qanununun tətbiqləri genişlənməyə davam edəcək və gələcəkdə daha mürəkkəb və səmərəli innovasiyalara qapı açacaq.
