Фарадейдің электромагнетизм заңын түсіндіру
Майкл Фарадей ғылым тарихындағы ең ықпалды ғалымдардың бірі болды. Бірқатар шығармашылық тәжірибелер мен талмас ынта арқылы ол қазіргі заманғы электромагнетизмнің негізін қалаған тұжырымдамаларды ашты. Оның негізгі үлестерінің бірі - 1831 жылы алғаш рет сипатталған Фарадейдің электромагниттік индукция заңы. Бұл заң өзгермелі магнит өрісінің өткізгіште электр тогын қалай тудыруы мүмкін екенін түсіндіреді, бұл принцип бүгінде біз қолданатын электр технологияларының көпшілігінің негізі болып табылады.
Фарадей заңының негізгі принциптері
Фарадей заңында «тұйық тізбекте индукцияланған электр қозғаушы күш (ЭҚК) тізбек арқылы өтетін магнит ағынының өзгеру жылдамдығына пропорционал» делінген. Математикалық түрде Фарадей заңын келесідей жазуға болады:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Мұнда, \( \mathcal{E} \) (эпсилон) - индукцияланған электр қозғаушы күші (ЭҚК), ал \( \Phi_B \) (phi-B) - магнит ағыны. Бұл теңдеудегі теріс таңба Ленц заңының нәтижесі болып табылады, ол индукцияланған ЭҚК әрқашан магнит ағынының өзгеруіне қарсы әрекет ететінін айтады.
Магнит ағыны (\( \Phi_B \)) келесідей анықталады:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \]
мұндағы √B√ магнит өрісі, √A√ магнит өрісі өтетін беттің ауданы, ал √T√ магнит өрісі мен сол бетке перпендикуляр түзу арасындағы бұрыш.
Электромагниттік индукция құбылысы
Фарадей заңының іс жүзінде қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін кейбір классикалық эксперименттік сценарийлерді елестетуге болады. Бір мысал соленоидты немесе сым катушкасын пайдалануды қамтиды. Электр тізбегін соленоидқа қосқан кезде, сым арқылы ағатын ток магнит өрісін тудырады.
Енді, бізде соленоидтың ішіне және сыртына қозғала алатын магнит бар екенін елестетіп көріңіз. Магнит қозғалған сайын соленоидтың ішіндегі магнит өрісі де өзгереді. Бұл сым катушкасы арқылы өтетін магнит ағынының өзгеруіне әкеледі, бұл өз кезегінде катушкада электр тогын тудырады. Бұл Фарадей заңының қалай жұмыс істейтінінің қарапайым мысалы.
Фарадей заңының күнделікті өмірде қолданылуы
Трансформатор
Фарадей заңының ең көп таралған қолданылуының бірі - электр трансформаторы. Трансформатор - электромагниттік индукция арқылы бір тізбектің кернеу деңгейін екіншісіне өзгертетін құрылғы. Трансформатор ортақ темір өзегіне оралған екі сым катушкасынан (бастапқы және қосымша) тұрады. Айнымалы ток бастапқы катушка арқылы өткенде, осы ток тудыратын магнит өрісі екінші реттік катушка арқылы да өтеді. Бұл өзгеретін магнит өрісі екінші реттік катушкада электр тогын тудырады. Осы принципті қолдана отырып, біз кернеуді қажетінше арттыра немесе төмендете аламыз.
Электр генераторы
Электр генераторлары да Фарадей заңының тікелей қолданылуы болып табылады. Генераторда механикалық энергия электр энергиясына айналады. Сым немесе магнит катушкалары бір-біріне қатысты қозғалған кезде, катушкалар арқылы өзгеретін магнит ағыны электр тогын тудырады. Электр генераторлары гидроэлектростанциялар, жылу, ядролық немесе басқа электр станциялары болсын, электр станцияларының негізгі құрамдас бөлігі болып табылады.
Индукциялық плиталардағы индукция
Индукциялық плиталар Фарадей заңының принциптерін де пайдаланады. Индукциялық плитада айнымалы электр тогы плитаның астында орналасқан сым катушкасы арқылы өтеді. Бұл электр тогы өзгермелі магнит өрісін тудырады. Ферромагниттік таба плитаға қойылған кезде, өзгермелі магнит өрісі табаның түбінде электр токтарын (құйынды токтар деп аталады) тудырады, бұл өз кезегінде таба материалының электр кедергісіне байланысты жылу шығарады.
Ленц заңы және энергияның сақталу заңы
Біз бұған дейін Фарадей теңдеуіндегі теріс таңба Ленц заңынан туындайтынын айтқан болатынбыз. Ленц заңы магнит ағынының өзгеруінен туындаған ток әрқашан оны тудырған өзгеріске қарсы тұратын магнит өрісін тудыратынын айтады. Бұл энергияның сақталу принципінің көрінісі.
Егер біз Ленц заңын ескермесек, энергияның жоқтан пайда болуына әкелуі мүмкін, бұл энергияның сақталу заңының айқын бұзылуы. Ток тудыратын магнит ағынының өзгерісі оны тудырған өзгеріске қарсы тұру үшін әрқашан жұмыс істейтініне көз жеткізу арқылы Ленц заңы жүйедегі энергия тепе-теңдігін сақтайды.
Мысалы, магнитті соленоидқа енгізген кезде, катушкадағы индукцияланған ток тудырған магнит өрісін жеңу үшін механикалық күш жұмсауымыз керек. Бұл күш жай ғана жоғалып кетпейді; ол жүйе ішінде электр энергиясына айналады. Керісінше, магнитті соленоидтан шығарған кезде, магнитті индукцияланған магнит өрісіне қарсы тарту үшін де механикалық күш қажет.
Фарадейдің маңызды тәжірибелері
Фарадейдің көптеген тәжірибелері осы заңдарды көрсетуде үлкен маңызға ие болды. Осындай тәжірибелердің бірі - күшті магнит полюстері арасында айналатын металл дискіден тұратын Фарадей дискісі. Бұл тәжірибеде Фарадей магнит пен өткізгіш арасындағы салыстырмалы қозғалыс электр тогын тудыратынын сәтті көрсетті, бұл оны электромагнетизмдегі негізгі тәжірибелердің біріне айналдырады.
Әсері және салдары
Фарадейдің электромагниттік индукцияны ашуы электр технологиясының дамуына негіз қалап қана қоймай, сонымен қатар электр тогы мен магнетизмнің өзара әрекеттесуін одан әрі түсінуге жол ашты. Фарадейдің зерттеулері кейінірек Максвелл теңдеулерін тұжырымдап, электр тогын, магнетизмді және жарықты электромагниттік теория деп аталатын негізгі теңдеулер жиынтығына біріктірді.
Бұл теория коммуникациялық технологиялардың дамуына, соның ішінде Гульельмо Марконидің радионы ойлап табуына үлкен әсер етті және сайып келгенде смартфондар, Wi-Fi және GPS сияқты заманауи сымсыз технологиялардың дамуына мүмкіндік берді.
Қорытынды
Фарадейдің электромагниттік индукция заңы физика мен электротехниканың ең маңызды негіздерінің бірі болып табылады. Магниттердің және сым катушкаларының қарапайым қозғалысынан бастап электр генераторлары мен трансформаторларындағы күрделі қолданбаларға дейін, 19 ғасырда Майкл Фарадей ашқан бұл принцип біздің күнделікті өмірімізге үлкен әсер етуде. Бұл заңды түсіну бізге қазіргі заманғы технологиялық құрылғылардың қаншалықты жұмыс істейтінін түсінуге ғана емес, сонымен қатар ғаламның негізгі принциптерін тереңірек түсінуге әкеледі.
