Faraday seadus
Pengantar
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus on füüsika põhiprintsiip, mis kirjeldab, kuidas muutuv magnetväli võib juhis elektrivoolu tekitada. Michael Faraday poolt 1831. aastal avastatud seadus on elektromagnetismi võtmeelement ja sellel on arvukalt rakendusi tänapäeva tehnoloogias, näiteks elektrigeneraatorites ja trafodes. See artikkel kirjeldab üksikasjalikult Faraday seaduse aluseks olevat teooriat, seda toetavaid katseid ja selle erinevaid praktilisi rakendusi.
Põhiteooria
Faraday seaduse definitsioon
Faraday seadus sätestab, et suletud vooluringis indutseeritud elektromotoorjõud (EMJ) on võrdeline vooluringi läbiva magnetvoo muutumiskiirusega. Matemaatiliselt on see seadus sõnastatud järgmiselt:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Kus:
– \( \mathcal{E} \) on indutseeritud elektromagnetvälja jõud (voltides),
– \( \Phi_B \) on magnetvoog (veeberites),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) on magnetvoo muutumiskiirus.
Selle võrrandi negatiivne märk pärineb Lenzi seadusest, mis sätestab, et indutseeritud elektromagnetvälja suund on alati selline, et see on vastu seda põhjustavale magnetvoo muutusele.
Magnetvoog
Magnetvoog \( \Phi_B \) on antud ala läbiva magnetvälja tugevuse mõõt. Magnetvoog on defineeritud järgmiselt:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\teeta) \]
Kus:
– \(B \) on magnetväli (teslades),
– \(A \) on magnetvälja läbitav pindala (ruutmeetrites),
– \( \theta \) on nurk magnetvälja ja sellega risti oleva joone vahel.
Lenzi seadus
Lenzi seadus annab indutseeritud elektromagnetvälja suuna ja sellest tuleneva voolu. Lenzi seaduse kohaselt tekitab indutseeritud vool vooluringis magnetvälja, mis on vastupidine seda põhjustanud magnetvoo muutusele. Matemaatiliselt väljendatakse seda Faraday seaduse võrrandis negatiivse märgiga.
Faraday eksperiment
Elektromagnetilise induktsiooni avastamine
Michael Faraday viis 1831. aastal läbi rea katseid, et uurida magnetväljade ja elektrivoolude vahelist seost. Üks Faraday põhikatseid hõlmas traatmähist, mis oli ühendatud galvanomeetriga (elektrivoolu mõõtmise seade) ja vardaga magnetiga. Faraday avastas, et kui vardaga magnetit liigutati mähise poole või sellest eemale, indutseeriti mähises elektrivool, mida galvanomeeter tuvastas.
Eksperimentaalsed variatsioonid
Faraday viis läbi ka selle katse variatsiooni, kasutades kahte traatmähist, mis olid keritud ümber raudsüdamiku. Kui esimesest mähisest (primaarmähisest) juhiti läbi elektrivool, indutseeris tekkiv magnetväli teises mähises (sekundaarmähises) elektrivoolu. Faraday jõudis järeldusele, et mähiste vahel muutuv magnetväli oli indutseeritud elektrivoolu põhjus.
Faraday seaduse rakendamine
Elektrigeneraator
Elektrigeneraator on üks Faraday seaduse peamisi rakendusi. Generaatorid muudavad mehaanilise energia elektrienergiaks elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Kui traatmähis pöörleb magnetväljas, tekitab mähise kohal muutuv magnetvoog elektromotoorjõu (EMJ), mis indutseerib elektrivoolu.
1. Vahelduvvoolugeneraator
– Tööpõhimõte: Vahelduvvoolugeneraator kasutab püsimagneti või elektromagneti tekitatud magnetvälja. Kui mähis magnetväljas pöörleb, muutub mähise magnetvoog, tekitades vahelduvvoolu.
– Kasutusalad: Vahelduvvoolugeneraatoreid kasutatakse suurtes elektrijaamades, tuuleturbiinides ja kaasaskantavates generaatorites.
2. Alalisvoolu (DC) generaator
– Tööpõhimõte: Alalisvoolugeneraator kasutab kommutaatorit, et muuta mähises indutseeritud vahelduvvool alalisvooluks. Kommutaator on mehaaniline seade, mis tagab voolu voolamise ühes suunas.
– Rakendused: Alalisvoolugeneraatoreid kasutatakse sellistes rakendustes nagu akude laadimine, avariitoitesüsteemid ja tööstusrakendused.
trafo
Trafo on seade, mis muudab elektrijaotusvõrgu pinget elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Trafo koosneb kahest mähisest, primaar- ja sekundaarmähisest, mis on keritud ümber raudsüdamiku.
– Tööpõhimõte: Primaarmähisest läbi voolav elektrivool tekitab magnetvoo, mis indutseerib sekundaarmähises elektromagnetvälja. Primaar- ja sekundaarmähiste keerdude arvu muutmisega saab pinget vastavalt vajadusele suurendada või vähendada.
– Kasutusalad: Trafosid kasutatakse elektrijaotussüsteemides elektripinge suurendamiseks või vähendamiseks, võimaldades elektri tõhusat edastamist elektrijaamadest tarbijatele.
Juhtmevaba laadimine
Juhtmevaba laadimine on tehnoloogia, mis kasutab elektromagnetilise induktsiooni põhimõtet energia edastamiseks ilma kaabliteta.
– Tööpõhimõte: Juhtmevaba laadimine kasutab laadimismähise tekitatud magnetvälja, et indutseerida laaditava seadme külge kinnitatud vastuvõtumähises elektromagnetvälja (EMF). Muutuv magnetväli tekitab vastuvõtumähises elektrivoolu, mida kasutatakse seadme aku laadimiseks.
– Rakendused: Juhtmevaba laadimist kasutatakse elektroonikaseadmetes, näiteks nutitelefonides, nutikellades ja kaasaskantavates meditsiiniseadmetes.
Seotud nähtused
1. Pöörisvoolu efekt
– Tööpõhimõte: Pöörisvoolud on voolud, mis indutseeritakse juhis muutuva magnetvälja poolt. Need pöörisvoolud tekitavad magnetvälja, mis on vastu neid põhjustanud magnetvoo muutusele.
– Rakendused: Pöörisvoolu kasutatakse elektromagnetilistes pidurites, metallidetektorites ja mittepurustavates katsetes.
2. Magnettakistus
– Tööpõhimõte: Magnettakistus on materjali elektrilise takistuse muutus, mis on põhjustatud välise magnetvälja mõjul. Seda nähtust kasutatakse andmesalvestustehnoloogias ja magnetandurites.
– Rakendused: Magnettakistust kasutatakse kõvaketastes, kiirusandurites ja asukoha tuvastamise süsteemides.
3. Halli efekt
– Tööpõhimõte: Halli efekt on nähtus, mille puhul juhis oleva elektrivooluga risti olev magnetväli tekitab juhis pinge erinevuse. Seda pinget nimetatakse Halli pingeks.
– Rakendused: Halli efekti kasutatakse Halli andurites magnetväljade, kiiruse ja asukoha mõõtmiseks.
Täiustatud tehnoloogia rakendused
Meditsiinitehnoloogia: MRI (magnetresonantstomograafia)
MRI on meditsiiniline pildistamistehnika, mis kasutab magnetvälju ja raadiolaineid, et saada inimese keha sisemiste struktuuride detailseid kujutisi.
– Kuidas see toimib: MRI kasutab kehas prootonite orienteerimiseks tugevat magnetvälja. Kui magnetväli sisse ja välja lülitatakse, kiirgavad need prootonid signaale, mille arvuti jäädvustab ja töötleb piltideks.
– Rakendused: MRI-d kasutatakse mitmesuguste meditsiiniliste seisundite, sealhulgas kasvajate, südamehaiguste ja neuroloogiliste häirete diagnoosimiseks. MRI eeliseks on võime toota väga detailseid pilte ilma ioniseerivat kiirgust kasutamata.
Elektrimootor
Elektrimootorid on üks Faraday seaduse levinumaid rakendusi, mis töötab elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel.
– Tööpõhimõte: Elektrimootorid töötavad nii, et elektrivool juhitakse läbi magnetväljas oleva mähise, tekitades jõu, mis paneb mähise pöörlema.
– Kasutusalad: Elektrimootoreid kasutatakse väga erinevates seadmetes, alates kodumasinatest kuni suurte tööstusmasinateni.
Järeldus
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus on füüsika põhiprintsiip, mis selgitab, kuidas muutuv magnetväli võib juhis elektrivoolu tekitada. Michael Faraday avastas selle seaduse 1831. aastal ja see on saanud paljude tänapäevaste tehnoloogiate, sealhulgas elektrigeneraatorite, trafode ja traadita tehnoloogia aluseks. Faraday katsed näitasid magnetväljade ja elektrivoolu vahelist seost, mida hiljem matemaatiliselt kirjeldati elektromagnetilise induktsiooni seadusena.
Faraday seaduse rakendused on laialdased, hõlmates selliseid valdkondi nagu elektrienergia tootmine, jaotamine, juhtmevaba laadimine, meditsiinitehnoloogia ja elektrimootorid. Seotud nähtused, nagu pöörisvooluefekt, magnetotakistus ja Halli efekt, näitavad elektromagnetilise induktsiooni laialdast mõju teadusele ja tehnoloogiale. Tehnoloogia ja uuringute arenedes laienevad Faraday seaduse rakendused jätkuvalt, avades ukse veelgi keerukamatele ja tõhusamatele uuendustele tulevikus.
