Фарадей заңы
Пенгантар
Фарадейдің электромагниттік индукция заңы физикадағы өзгермелі магнит өрісінің өткізгіште электр тогын қалай тудыратынын сипаттайтын негізгі қағида болып табылады. 1831 жылы Майкл Фарадей ашқан бұл заң электромагнетизмнің негізгі тірегі болып табылады және қазіргі заманғы технологияларда, мысалы, электр генераторлары мен трансформаторларында көптеген қолданыстарға ие. Бұл мақалада Фарадей заңының теориясы, оны қолдайтын тәжірибелер және оның әртүрлі практикалық қолданыстары егжей-тегжейлі сипатталады.
Негізгі теория
Фарадей заңының анықтамасы
Фарадей заңы тұйықталған тізбекте пайда болатын электр қозғаушы күш (ЭҚК) тізбек арқылы өтетін магнит ағынының өзгеру жылдамдығына пропорционалды екенін көрсетеді. Математикалық тұрғыдан бұл заң келесідей тұжырымдалады:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Қайда:
– \( \mathcal{E} \) – индукцияланған ЭҚК (вольтпен),
– \( \Phi_B \) – магнит ағыны (веберлерде),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) – магнит ағынының өзгеру жылдамдығы.
Бұл теңдеудегі теріс таңба Ленц заңынан шығады, онда индукцияланған ЭҚК бағыты әрқашан оны тудыратын магнит ағынының өзгеруіне қарсы тұратындай болады делінген.
Магнит ағыны
Магнит ағыны \( \Phi_B \) - берілген аумақ арқылы өтетін магнит өрісінің мөлшерінің өлшемі. Магнит ағыны келесідей анықталады:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \]
Қайда:
– \( B \) - магнит өрісі (Теслада),
– \( A \) – магнит өрісі өтетін аудан (шаршы метрмен),
– \( \theta \) – магнит өрісі мен ауданға перпендикуляр сызық арасындағы бұрыш.
Ленц заңы
Ленц заңы индукцияланған ЭҚК және пайда болған ток бағытын береді. Ленц заңына сәйкес, тізбектегі индукцияланған ток оны тудырған магнит ағынының өзгеруіне қарсы тұратын магнит өрісін тудырады. Математикалық тұрғыдан бұл Фарадей заңының теңдеуіндегі теріс таңбамен өрнектеледі.
Фарадейдің тәжірибесі
Электромагниттік индукцияның ашылуы
Майкл Фарадей 1831 жылы магнит өрістері мен электр токтары арасындағы байланысты зерттеу үшін бірқатар тәжірибелер жүргізді. Фарадейдің негізгі тәжірибелерінің бірі гальванометрге (электр тогын өлшеуге арналған құрылғы) және штангалы магнитке қосылған сым катушкасын пайдалануды қамтыды. Фарадей штангалы магнит катушкаға қарай немесе одан алыстатылған кезде катушкада электр тогы пайда болатынын, оны гальванометр анықтайтынын анықтады.
Тәжірибелік вариациялар
Фарадей сонымен қатар темір өзекке оралған екі сым катушкасын пайдаланып, осы тәжірибенің бір нұсқасын жасады. Бірінші катушкадан (бірінші катушка) электр тогы өткенде, пайда болған магнит өрісі екінші катушкада (екінші катушка) электр тогын тудырды. Фарадей катушкалардағы өзгеретін магнит өрісі индукцияланған электр тогының себебі деген қорытындыға келді.
Фарадей заңын қолдану
Электр генераторы
Электр генераторы Фарадей заңының негізгі қолданылу салаларының бірі болып табылады. Генераторлар механикалық энергияны электромагниттік индукция принципі арқылы электр энергиясына түрлендіреді. Сым катушкасы магнит өрісінде айналғанда, катушка арқылы өзгеретін магнит ағыны электр тогын тудыратын ЭҚК тудырады.
1. Айнымалы ток генераторы
– Жұмыс принципі: Айнымалы ток генераторы тұрақты магнит немесе электромагнит тудыратын магнит өрісін пайдаланады. Катушка магнит өрісінде айналғанда, катушка арқылы өтетін магнит ағыны өзгеріп, айнымалы ток тудырады.
– Қолданылуы: Айнымалы ток генераторлары ірі электр станцияларында, жел турбиналарында және портативті генераторларда қолданылады.
2. Тұрақты ток генераторы
– Жұмыс принципі: Тұрақты ток генераторы катушкада индукцияланған айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін коллекторды пайдаланады. Коллектор – токтың бір бағытта ағымын қамтамасыз ететін механикалық құрылғы.
– Қолданылуы: Тұрақты ток генераторлары батареяны зарядтау, апаттық қуат жүйелері және өнеркәсіптік қолданбалар сияқты қолданбаларда қолданылады.
Трансформатор
Трансформатор - электромагниттік индукция принципіне негізделген электр тарату жүйесіндегі кернеуді өзгертетін құрылғы. Трансформатор темір өзекке оралған екі катушкадан, біріншілік және екіншілік катушкалардан тұрады.
– Жұмыс принципі: Бастапқы катушка арқылы өтетін электр тогы екінші реттік катушкада ЭҚК тудыратын магнит ағынын тудырады. Бірінші және екінші реттік катушкалардағы орамдар санын өзгерту арқылы кернеуді қажетінше арттыруға немесе азайтуға болады.
– Қолданылуы: Трансформаторлар электр тарату жүйелерінде электр кернеуін арттыру немесе төмендету үшін қолданылады, бұл электр станцияларынан тұтынушыларға электр энергиясын тиімді жеткізуді қамтамасыз етеді.
Сымсыз зарядтау
Сымсыз зарядтау - бұл кабельдерсіз энергияны беру үшін электромагниттік индукция принципін қолданатын технология.
– Жұмыс принципі: Сымсыз зарядтау зарядтау катушкасы тудыратын магнит өрісін пайдаланып, зарядталатын құрылғыға бекітілген қабылдау катушкасында ЭҚК тудырады. Өзгеретін магнит өрісі қабылдау катушкасында электр тогын тудырады, ол құрылғының батареясын зарядтау үшін қолданылады.
– Қолданылуы: Сымсыз зарядтау смартфондар, ақылды сағаттар және портативті медициналық құрылғылар сияқты электрондық құрылғыларда қолданылады.
Байланысты құбылыстар
1. Құйынды токтың әсері
– Жұмыс принципі: Құйынды токтар – өткізгіште өзгермелі магнит өрісі арқылы пайда болатын токтар. Бұл құйынды токтар оларды тудырған магнит ағынының өзгеруіне қарсы тұратын магнит өрісін тудырады.
– Қолданылуы: Құйынды ток электромагниттік тежегіштерде, металл анықтауда және бұзбайтын сынақтарда қолданылады.
2. Магнитрезистенс
– Жұмыс принципі: Магниттік кедергі – сыртқы магнит өрісінің әсерінен материалдың электрлік кедергісінің өзгеруі. Бұл құбылыс деректерді сақтау технологиясында және магниттік сенсорларда қолданылады.
– Қолданылуы: Магниттік кедергі қатты диск жетектерде, жылдамдық сенсорларында және позицияны анықтау жүйелерінде қолданылады.
3. Холл эффектісі
– Жұмыс принципі: Холл эффектісі – өткізгіштегі электр тогына перпендикуляр магнит өрісі өткізгіште кернеу айырмашылығын тудыратын құбылыс. Бұл кернеу Холл кернеуі деп аталады.
– Қолданылуы: Холл эффектісі Холл сенсорларында магнит өрістерін, жылдамдықты және позицияны өлшеу үшін қолданылады.
Озық технологиялық қолданбалар
Медициналық технология: МРТ (магниттік-резонанстық бейнелеу)
МРТ - бұл адам денесінің ішкі құрылымдарының егжей-тегжейлі кескіндерін алу үшін магнит өрістері мен радио толқындарын пайдаланатын медициналық бейнелеу әдісі.
– Жұмыс істеу тәсілі: МРТ денедегі протондарды бағдарлау үшін күшті магнит өрісін пайдаланады. Магнит өрісі қосылған және өшірілген кезде, бұл протондар компьютер түсіріп, кескіндерге айналдыратын сигналдар шығарады.
– Қолданылуы: МРТ ісіктерді, жүрек ауруларын және неврологиялық бұзылуларды қоса алғанда, әртүрлі медициналық жағдайларды диагностикалау үшін қолданылады. МРТ-ның артықшылығы - иондаушы сәулеленуді пайдаланбай жоғары егжей-тегжейлі кескіндер алу мүмкіндігі.
Электр қозғалтқышы
Электр қозғалтқыштары - электромагниттік индукция принципіне негізделген Фарадей заңының кең таралған қолданылуларының бірі.
– Жұмыс принципі: Электр қозғалтқыштары магнит өрісіндегі катушка арқылы электр тогын өткізу арқылы жұмыс істейді, осылайша катушканың айналуына себеп болатын күш пайда болады.
– Қолданылуы: Электр қозғалтқыштары тұрмыстық техникадан бастап ірі өнеркәсіптік машиналарға дейін әртүрлі құрылғыларда қолданылады.
Қорытынды
Фарадейдің электромагниттік индукция заңы физикадағы өзгермелі магнит өрісінің өткізгіште электр тогын қалай тудыруы мүмкін екенін түсіндіретін негізгі қағида болып табылады. 1831 жылы Майкл Фарадей ашқан бұл заң электр генераторларын, трансформаторларды және сымсыз технологияны қоса алғанда, көптеген заманауи технологиялардың негізіне айналды. Фарадейдің тәжірибелері магнит өрістері мен электр тогы арасындағы байланысты көрсетті, кейінірек ол математикалық тұрғыдан электромагниттік индукция заңы ретінде сипатталды.
Фарадей заңының қолданылуы кең ауқымды, электр энергиясын өндіру, тарату, сымсыз зарядтау, медициналық технологиялар және электр қозғалтқыштары сияқты салаларды қамтиды. Құйынды ток әсері, магниторезистенция және Холл эффектісі сияқты байланысты құбылыстар электромагниттік индукцияның ғылым мен техникаға кең таралған әсерін көрсетеді. Технология мен зерттеулер дамыған сайын, Фарадей заңының қолданылуы кеңейе береді, бұл болашақта одан да күрделі және тиімді инновацияларға жол ашады.
