Ֆարադեյի օրենքը

Ֆարադեյի օրենքը

Պենգանտար

Ֆարադեյի էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքը ֆիզիկայի հիմնարար սկզբունք է, որը նկարագրում է, թե ինչպես կարող է փոփոխվող մագնիսական դաշտը էլեկտրական հոսանք առաջացնել հաղորդչի մեջ: Հայտնաբերվել է Մայքլ Ֆարադեյի կողմից 1831 թվականին, այս օրենքը էլեկտրամագնիսականության հիմնական հենասյունն է և ունի բազմաթիվ կիրառություններ ժամանակակից տեխնոլոգիաներում, ինչպիսիք են էլեկտրական գեներատորները և տրանսֆորմատորները: Այս հոդվածը մանրամասն կներկայացնի Ֆարադեյի օրենքի տեսությունը, այն հաստատող փորձերը և դրա տարբեր գործնական կիրառությունները:

Հիմնական տեսություն

Ֆարադեյի օրենքի սահմանումը

Ֆարադեյի օրենքը նշում է, որ փակ շղթայում առաջացած էլեկտրաշարժիչ ուժը (ԷՇՈւ) համեմատական ​​է շղթայով անցնող մագնիսական հոսքի փոփոխության արագությանը: Մաթեմատիկորեն այս օրենքը ձևակերպվում է հետևյալ կերպ.

\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]

Որտեղ՝
– \( \mathcal{E} \)-ն ինդուկցված էլեկտրամագնիսական դաշտն է (վոլտերով),
– \( \Phi_B \)-ն մագնիսական հոսքն է (վեբերներով),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \)-ն մագնիսական հոսքի փոփոխության արագությունն է։

Այս հավասարման բացասական նշանը գալիս է Լենցի օրենքից, որը նշում է, որ ինդուկցված էլեկտրամագնիսական դաշտի ուղղությունը միշտ այնպիսին է, որ այն հակադրվում է այն առաջացնող մագնիսական հոսքի փոփոխությանը։

Մագնիսական հոսք

Մագնիսական հոսքը \( \Phi_B \) տրված մակերեսով անցնող մագնիսական դաշտի քանակի չափն է։ Մագնիսական հոսքը սահմանվում է որպես՝

\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \]

Որտեղ՝
– \( B \)-ն մագնիսական դաշտն է (տեսլայով),
– \( A \)-ն մագնիսական դաշտի անցած մակերեսն է (քառակուսի մետրերով),
– \( \ττα \)-ն մագնիսական դաշտի և մակերեսին ուղղահայաց գծի միջև ընկած անկյունն է։

Լենցի օրենքը

Լենցի օրենքը ցույց է տալիս ինդուկցված էլեկտրամագնիսական դաշտի և առաջացող հոսանքի ուղղությունը։ Լենցի օրենքի համաձայն՝ շղթայում ինդուկցված հոսանքը կառաջացնի մագնիսական դաշտ, որը հակադրվում է դրա առաջացրած մագնիսական հոսքի փոփոխությանը։ Մաթեմատիկորեն սա արտահայտվում է Ֆարադեյի օրենքի հավասարման բացասական նշանով։

Ֆարադեյի փորձը

Էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի հայտնաբերումը

Մայքլ Ֆարադեյը 1831 թվականին մի շարք փորձեր է անցկացրել՝ մագնիսական դաշտերի և էլեկտրական հոսանքների միջև եղած կապը ուսումնասիրելու համար: Ֆարադեյի հիմնական փորձերից մեկը ներառում էր գալվանոմետրին (էլեկտրական հոսանքը չափելու սարք) միացված մետաղալարե կծիկ և ձողային մագնիս: Ֆարադեյը հայտնաբերեց, որ երբ ձողային մագնիսը շարժվում է կծիկի մոտ կամ դրանից հեռու, կծիկում էլեկտրական հոսանք է առաջանում, որը հայտնաբերվում է գալվանոմետրի կողմից:

Փորձարարական տարբերակներ

Ֆարադեյը նաև կատարեց այս փորձի մի տարբերակ՝ օգտագործելով երկաթե միջուկի շուրջ փաթաթված մետաղալարի երկու կծիկներ։ Երբ առաջին կծիկի (գլխավոր կծիկի) միջով էլեկտրական հոսանք էր անցնում, առաջացող մագնիսական դաշտը երկրորդ կծիկում (երկրորդային կծիկ) էլեկտրական հոսանք էր առաջացնում։ Ֆարադեյը եզրակացրեց, որ կծիկների վրայով փոփոխվող մագնիսական դաշտը ինդուկցված էլեկտրական հոսանքի պատճառն էր։

Ֆարադեյի օրենքի կիրառումը

Էլեկտրական գեներատոր

Էլեկտրական գեներատորը Ֆարադեյի օրենքի հիմնական կիրառություններից մեկն է: Գեներատորները մեխանիկական էներգիան վերածում են էլեկտրական էներգիայի՝ էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի սկզբունքի միջոցով: Երբ մետաղալարե կծիկը պտտվում է մագնիսական դաշտում, կծիկի վրայով փոփոխվող մագնիսական հոսքը առաջացնում է էլեկտրամագնիսական ուժ, որն ինդուկցում է էլեկտրական հոսանք:

1. AC (փոփոխական հոսանքի) գեներատոր
– Աշխատանքային սկզբունքը. փոփոխական հոսանքի գեներատորը օգտագործում է մշտական ​​մագնիսից կամ էլեկտրամագնիսից առաջացած մագնիսական դաշտ: Երբ կծիկը պտտվում է մագնիսական դաշտում, կծիկի մագնիսական հոսքը փոխվում է՝ առաջացնելով փոփոխական հոսանք:
– Կիրառություններ՝ փոփոխական հոսանքի գեներատորներն օգտագործվում են խոշոր էլեկտրակայաններում, հողմային տուրբիններում և շարժական գեներատորներում։

2. Մշտական ​​հոսանքի (DC) գեներատոր
– Աշխատանքային սկզբունք. Հաստատուն հոսանքի գեներատորը օգտագործում է կոմուտատոր՝ կծիկում ինդուկցված փոփոխական հոսանքը հաստատուն հոսանքի փոխակերպելու համար: Կոմուտատորը մեխանիկական սարք է, որը ապահովում է հոսանքի հոսքը մեկ ուղղությամբ:
– Կիրառություններ. Մշտական ​​հոսանքի գեներատորներն օգտագործվում են մարտկոցների լիցքավորման, արտակարգ իրավիճակների էներգահամակարգերի և արդյունաբերական կիրառություններում:

տրանսֆորմատոր

Տրանսֆորմատորը սարք է, որը փոխում է լարումը էլեկտրական բաշխման համակարգում՝ հիմնվելով էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի սկզբունքի վրա: Տրանսֆորմատորը բաղկացած է երկու կծիկներից՝ առաջնային և երկրորդային, որոնք փաթաթված են երկաթե միջուկի շուրջ:

– Աշխատանքային սկզբունք. Առաջնային կծիկով հոսող էլեկտրական հոսանքը առաջացնում է մագնիսական հոսք, որը երկրորդային կծիկում առաջացնում է էլեկտրամագնիսական դաշտ։ Առաջնային և երկրորդային կծիկներում պտույտների քանակը փոփոխելով՝ լարումը կարող է անհրաժեշտության դեպքում մեծացվել կամ նվազեցվել։
– Կիրառություններ՝ Տրանսֆորմատորները օգտագործվում են էլեկտրական բաշխման համակարգերում՝ էլեկտրական լարումը բարձրացնելու կամ նվազեցնելու համար, ինչը հնարավորություն է տալիս էլեկտրաէներգիայի արդյունավետ փոխանցումը էլեկտրակայաններից սպառողներին։

Անլար լիցքավորում

Անլար լիցքավորումը տեխնոլոգիա է, որն օգտագործում է էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի սկզբունքը՝ էներգիան առանց մալուխների փոխանցելու համար։

– Աշխատանքային սկզբունք. Անլար լիցքավորումն օգտագործում է լիցքավորման կծիկի կողմից առաջացած մագնիսական դաշտը՝ լիցքավորվող սարքին միացված ընդունող կծիկում էլեկտրամագնիսական դաշտ առաջացնելու համար: Փոփոխվող մագնիսական դաշտը ընդունող կծիկում առաջացնում է էլեկտրական հոսանք, որն օգտագործվում է սարքի մարտկոցը լիցքավորելու համար:
– Կիրառություններ. Անլար լիցքավորումը կիրառվում է էլեկտրոնային սարքերում, ինչպիսիք են սմարթֆոնները, խելացի ժամացույցները և դյուրակիր բժշկական սարքերը։

Առնչվող երևույթներ

1. Էդդի հոսանքի էֆեկտ
– Աշխատանքային սկզբունք. Շրջադարձային հոսանքները հաղորդչի մեջ փոփոխվող մագնիսական դաշտի կողմից ինդուկցված հոսանքներ են: Այս շրջադարձային հոսանքները առաջացնում են մագնիսական դաշտ, որը հակադրվում է դրանց առաջացրած մագնիսական հոսքի փոփոխությանը:
– Կիրառություններ՝ Հոսանքային հոսանքն օգտագործվում է էլեկտրամագնիսական արգելակներում, մետաղի հայտնաբերման և ոչ ապակառուցողական փորձարկման մեջ։

2. Մագնիսական դիմադրություն
– Աշխատանքային սկզբունք. Մագնիսական դիմադրությունը նյութի էլեկտրական դիմադրության փոփոխությունն է, որն առաջանում է արտաքին մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ: Այս երևույթն օգտագործվում է տվյալների պահպանման տեխնոլոգիաներում և մագնիսական սենսորներում:
– Կիրառություններ՝ Մագնիսական դիմադրությունը կիրառվում է կոշտ սկավառակներում, արագության սենսորներում և դիրքի չափման համակարգերում։

3. Հոլի էֆեկտ
– Աշխատանքային սկզբունք. Հոլի էֆեկտը մի երևույթ է, որի դեպքում հաղորդչի էլեկտրական հոսանքին ուղղահայաց մագնիսական դաշտը հաղորդչի վրա առաջացնում է լարման տարբերություն: Այս լարումը կոչվում է Հոլի լարում:
– Կիրառություններ՝ Հոլի էֆեկտը կիրառվում է Հոլի սենսորներում՝ մագնիսական դաշտերը, արագությունը և դիրքը չափելու համար։

Առաջադեմ տեխնոլոգիական կիրառություններ

Բժշկական տեխնոլոգիաներ՝ ՄՌՏ (մագնիսական ռեզոնանսային պատկերացում)

ՄՌՏ-ն բժշկական պատկերագրման մեթոդ է, որն օգտագործում է մագնիսական դաշտեր և ռադիոալիքներ՝ մարդու մարմնի ներքին կառուցվածքների մանրամասն պատկերներ ստանալու համար։

– Ինչպես է այն գործում. ՄՌՏ-ն օգտագործում է ուժեղ մագնիսական դաշտ՝ մարմնի ներսում պրոտոնները կողմնորոշելու համար: Երբ մագնիսական դաշտը միանում և անջատվում է, այդ պրոտոնները արձակում են ազդանշաններ, որոնք համակարգչի կողմից ֆիքսվում և մշակվում են պատկերների:
– Կիրառությունները. ՄՌՏ-ն օգտագործվում է տարբեր բժշկական վիճակների, այդ թվում՝ ուռուցքների, սրտի հիվանդությունների և նյարդաբանական խանգարումների ախտորոշման համար: ՄՌՏ-ի առավելությունն այն է, որ այն կարող է ստանալ բարձր մանրամասնությամբ պատկերներ՝ առանց իոնացնող ճառագայթման օգտագործման:

Էլեկտրական շարժիչ

Էլեկտրաշարժիչները Ֆարադեյի օրենքի տարածված կիրառություններից մեկն են, որը գործում է էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի սկզբունքի վրա։

– Աշխատանքային սկզբունքը. Էլեկտրաշարժիչները աշխատում են էլեկտրական հոսանք անցկացնելով մագնիսական դաշտում գտնվող կծիկի միջով, այդպիսով ստեղծելով ուժ, որը ստիպում է կծիկը պտտվել։
– Կիրառություններ՝ Էլեկտրաշարժիչները օգտագործվում են սարքերի լայն տեսականիում՝ կենցաղային տեխնիկայից մինչև խոշոր արդյունաբերական մեքենաներ։

Եզրակացություն

Ֆարադեյի էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքը ֆիզիկայի հիմնարար սկզբունք է, որը բացատրում է, թե ինչպես կարող է փոփոխվող մագնիսական դաշտը էլեկտրական հոսանք առաջացնել հաղորդչի մեջ: Հայտնաբերվելով Մայքլ Ֆարադեյի կողմից 1831 թվականին, այս օրենքը դարձել է բազմաթիվ ժամանակակից տեխնոլոգիաների, այդ թվում՝ էլեկտրական գեներատորների, տրանսֆորմատորների և անլար տեխնոլոգիաների հիմքը: Ֆարադեյի փորձերը ցույց տվեցին մագնիսական դաշտերի և էլեկտրական հոսանքի միջև եղած կապը, որը հետագայում մաթեմատիկորեն նկարագրվեց որպես էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենք:

Ֆարադեյի օրենքի կիրառությունները լայն են՝ ընդգրկելով այնպիսի ոլորտներ, ինչպիսիք են էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը, բաշխումը, անլար լիցքավորումը, բժշկական տեխնոլոգիաները և էլեկտրական շարժիչները: Առնչվող երևույթները, ինչպիսիք են մրրկային հոսանքի էֆեկտը, մագնիսա-դիմադրությունը և Հոլի էֆեկտը, ցույց են տալիս էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի տարածված ազդեցությունը գիտության և տեխնոլոգիայի վրա: Տեխնոլոգիայի և հետազոտությունների զարգացմանը զուգընթաց, Ֆարադեյի օրենքի կիրառությունները կշարունակեն ընդլայնվել՝ ապագայում բացելով դռներ ավելի բարդ և արդյունավետ նորարարությունների համար: