Cyfraith Faraday
Pengantar
Mae cyfraith anwythiad electromagnetig Faraday yn egwyddor sylfaenol mewn ffiseg sy'n disgrifio sut y gall maes magnetig sy'n newid gynhyrchu cerrynt trydan mewn dargludydd. Wedi'i darganfod gan Michael Faraday ym 1831, mae'r gyfraith hon yn golofn allweddol o electromagnetiaeth ac mae ganddi nifer o gymwysiadau mewn technoleg fodern, megis generaduron trydan a thrawsnewidyddion. Bydd yr erthygl hon yn manylu ar y ddamcaniaeth y tu ôl i gyfraith Faraday, yr arbrofion sy'n ei chefnogi, a'i amrywiol gymwysiadau ymarferol.
Damcaniaeth Sylfaenol
Diffiniad o Gyfraith Faraday
Mae cyfraith Faraday yn nodi bod y grym electromotif (EMF) a achosir mewn cylched gaeedig yn gymesur â chyfradd newid y fflwcs magnetig drwy'r gylched. Yn fathemategol, nodir y gyfraith hon fel:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Ble:
– \( \mathcal{E} \) yw'r EMF ysgogedig (mewn foltiau),
– \( \Phi_B \) yw'r fflwcs magnetig (mewn webers),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) yw cyfradd newid fflwcs magnetig.
Daw'r arwydd negatif yn yr hafaliad hwn o Gyfraith Lenz, sy'n nodi bod cyfeiriad yr EMF a achosir bob amser yn y fath fodd fel ei fod yn gwrthwynebu'r newid mewn fflwcs magnetig sy'n ei achosi.
Fflwcs Magnetig
Mae fflwcs magnetig \( \Phi_B \) yn fesur o faint y maes magnetig sy'n mynd trwy ardal benodol. Diffinnir fflwcs magnetig fel:
[PhiB = B A cos(θ)]
Ble:
– \( B \) yw'r maes magnetig (mewn tesla),
– \( A \) yw'r arwynebedd y mae'r maes magnetig yn ei groesi (mewn metrau sgwâr),
– \( \theta \) yw'r ongl rhwng y maes magnetig a'r llinell sy'n berpendicwlar i'r arwynebedd.
Cyfraith Lenz
Mae Deddf Lenz yn rhoi cyfeiriad yr EMF a achosir a'r cerrynt sy'n deillio o hynny. Yn ôl Deddf Lenz, bydd cerrynt a achosir mewn cylched yn cynhyrchu maes magnetig sy'n gwrthwynebu'r newid mewn fflwcs magnetig a'i hachosodd. Yn fathemategol, mynegir hyn gan yr arwydd negatif yn hafaliad Deddf Faraday.
Arbrawf Faraday
Darganfod Anwythiad Electromagnetig
Cynhaliodd Michael Faraday gyfres o arbrofion ym 1831 i astudio'r berthynas rhwng meysydd magnetig a cheryntau trydan. Roedd un o arbrofion allweddol Faraday yn cynnwys coil o wifren wedi'i gysylltu â galfanomedr (dyfais ar gyfer mesur cerrynt trydan) a magnet bar. Darganfu Faraday, pan symudwyd y magnet bar tuag at y coil neu i ffwrdd ohono, fod cerrynt trydan yn cael ei ysgogi yn y coil, a ganfuwyd gan y galfanomedr.
Amrywiadau Arbrofol
Gwnaeth Faraday amrywiad o'r arbrawf hwn hefyd gan ddefnyddio dau goil o wifren wedi'u weindio o amgylch craidd haearn. Pan basiwyd cerrynt trydanol trwy'r coil cyntaf (y coil cynradd), fe wnaeth y maes magnetig canlyniadol achosi cerrynt trydanol yn yr ail goil (y coil eilaidd). Daeth Faraday i'r casgliad mai'r maes magnetig newidiol ar draws y coiliau oedd achos y cerrynt trydanol a achosir.
Cymhwyso Cyfraith Faraday
Generadur Trydan
Mae generadur trydan yn un o brif gymwysiadau Cyfraith Faraday. Mae generaduron yn trosi ynni mecanyddol yn ynni trydanol trwy egwyddor anwythiad electromagnetig. Pan fydd coil o wifren yn cylchdroi mewn maes magnetig, mae'r fflwcs magnetig newidiol ar draws y coil yn cynhyrchu emf, sy'n anwytho cerrynt trydan.
1. Generadur Cerrynt Eiledol (AC)
– Egwyddor Weithio: Mae generadur AC yn defnyddio maes magnetig a gynhyrchir gan fagnet parhaol neu electromagnet. Pan fydd coil yn cylchdroi yn y maes magnetig, mae'r fflwcs magnetig ar draws y coil yn newid, gan gynhyrchu cerrynt eiledol.
– Cymwysiadau: Defnyddir generaduron AC mewn gorsafoedd pŵer ar raddfa fawr, tyrbinau gwynt, a generaduron cludadwy.
2. Generadur DC (Cerrynt Uniongyrchol)
– Egwyddor Weithio: Mae generadur DC yn defnyddio cymudwr i drosi'r cerrynt eiledol a achosir yn y coil yn gerrynt uniongyrchol. Dyfais fecanyddol yw'r cymudwr sy'n sicrhau bod cerrynt yn llifo i un cyfeiriad.
– Cymwysiadau: Defnyddir generaduron DC mewn cymwysiadau fel gwefru batris, systemau pŵer brys, a chymwysiadau diwydiannol.
Trawsnewidydd
Dyfais sy'n newid y foltedd mewn system ddosbarthu trydanol yw trawsnewidydd, yn seiliedig ar egwyddor anwythiad electromagnetig. Mae trawsnewidydd yn cynnwys dau goil, un cynradd ac un eilaidd, wedi'u weindio o amgylch craidd haearn.
– Egwyddor Weithio: Mae'r cerrynt trydan sy'n llifo drwy'r coil cynradd yn cynhyrchu fflwcs magnetig sy'n achosi EMF yn y coil eilaidd. Drwy amrywio nifer y troadau yn y coiliau cynradd ac eilaidd, gellir cynyddu neu leihau'r foltedd yn ôl yr angen.
– Cymwysiadau: Defnyddir trawsnewidyddion mewn systemau dosbarthu trydanol i gynyddu neu leihau'r foltedd trydanol, gan alluogi trosglwyddo trydan yn effeithlon o orsafoedd pŵer i ddefnyddwyr.
Gwefru Di-wifr
Mae codi tâl diwifr yn dechnoleg sy'n defnyddio egwyddor anwythiad electromagnetig i drosglwyddo ynni heb geblau.
– Egwyddor Weithio: Mae gwefru diwifr yn defnyddio'r maes magnetig a gynhyrchir gan y coil gwefru i ysgogi EMF yn y coil derbyn sydd ynghlwm wrth y ddyfais i'w gwefru. Mae'r maes magnetig newidiol yn cynhyrchu cerrynt trydan yn y coil derbyn, a ddefnyddir i wefru batri'r ddyfais.
– Cymwysiadau: Defnyddir gwefru diwifr mewn dyfeisiau electronig fel ffonau clyfar, oriorau clyfar a dyfeisiau meddygol cludadwy.
Ffenomenau Cysylltiedig
1. Effaith Cerrynt Eddy
– Egwyddor Weithio: Ceryntau troelli yw ceryntau a achosir mewn dargludydd gan faes magnetig sy'n newid. Mae'r ceryntau troelli hyn yn cynhyrchu maes magnetig sy'n gwrthwynebu'r newid yn y fflwcs magnetig a'u hachosodd.
– Cymwysiadau: Defnyddir cerrynt troelli mewn breciau electromagnetig, canfod metelau, a phrofion an-ddinistriol.
2. Gwrthiant magnetig
– Egwyddor Weithio: Gwrthiant magnetig yw'r newid yng ngwrthiant trydanol deunydd a achosir gan faes magnetig allanol. Defnyddir y ffenomen hon mewn technoleg storio data a synwyryddion magnetig.
– Cymwysiadau: Defnyddir gwrthiant magnetig mewn gyriannau disg caled, synwyryddion cyflymder, a systemau synhwyro safle.
3. Effaith Neuadd
– Egwyddor Weithio: Mae effaith y Hall yn ffenomen lle mae maes magnetig sy'n berpendicwlar i'r cerrynt trydan mewn dargludydd yn cynhyrchu gwahaniaeth foltedd ar draws y dargludydd. Gelwir y foltedd hwn yn foltedd y Hall.
– Cymwysiadau: Defnyddir yr effaith Hall mewn synwyryddion Hall i fesur meysydd magnetig, cyflymder a safle.
Cymwysiadau Technoleg Uwch
Technoleg Feddygol: MRI (Delweddu Cyseiniant Magnetig)
Mae MRI yn dechneg delweddu meddygol sy'n defnyddio meysydd magnetig a thonnau radio i gynhyrchu delweddau manwl o strwythurau mewnol y corff dynol.
– Sut mae'n Gweithio: Mae MRI yn defnyddio maes magnetig cryf i gyfeirio protonau o fewn y corff. Pan gaiff y maes magnetig ei droi ymlaen ac i ffwrdd, mae'r protonau hyn yn allyrru signalau sy'n cael eu dal a'u prosesu'n ddelweddau gan gyfrifiadur.
– Cymwysiadau: Defnyddir MRI i wneud diagnosis o amrywiaeth o gyflyrau meddygol, gan gynnwys tiwmorau, clefyd y galon ac anhwylderau niwrolegol. Mantais MRI yw ei allu i gynhyrchu delweddau manwl iawn heb ddefnyddio ymbelydredd ïoneiddio.
Modur trydan
Mae moduron trydan yn un o gymwysiadau cyffredin Cyfraith Faraday sy'n gweithio ar egwyddor anwythiad electromagnetig.
– Egwyddor Weithio: Mae moduron trydan yn gweithio trwy lifo cerrynt trydan trwy goil sydd mewn maes magnetig, gan gynhyrchu grym sy'n achosi i'r coil gylchdroi.
– Cymwysiadau: Defnyddir moduron trydan mewn amrywiaeth eang o ddyfeisiau, o offer cartref i beiriannau diwydiannol mawr.
Casgliad
Mae cyfraith anwythiad electromagnetig Faraday yn egwyddor sylfaenol mewn ffiseg sy'n esbonio sut y gall maes magnetig sy'n newid gynhyrchu cerrynt trydan mewn dargludydd. Wedi'i darganfod gan Michael Faraday ym 1831, mae'r gyfraith hon wedi dod yn sail i lawer o dechnolegau modern, gan gynnwys generaduron trydan, trawsnewidyddion, a thechnoleg ddiwifr. Dangosodd arbrofion Faraday y berthynas rhwng meysydd magnetig a cherrynt trydan, a ddisgrifiwyd yn ddiweddarach yn fathemategol fel cyfraith anwythiad electromagnetig.
Mae cymwysiadau Deddf Faraday yn eang, gan gwmpasu meysydd fel cynhyrchu trydan, dosbarthu, gwefru diwifr, technoleg feddygol, a moduron trydan. Mae ffenomenau cysylltiedig fel effaith y cerrynt troellog, gwrthiant magnetig, ac effaith y Hall yn dangos dylanwad treiddiol anwythiad electromagnetig mewn gwyddoniaeth a thechnoleg. Wrth i dechnoleg ac ymchwil ddatblygu, bydd cymwysiadau Deddf Faraday yn parhau i ehangu, gan agor y drws i arloesiadau hyd yn oed yn fwy soffistigedig ac effeithlon yn y dyfodol.
