Фарадейгийн хууль
Пенгантар
Фарадейгийн цахилгаан соронзон индукцийн хууль нь физикийн үндсэн зарчим бөгөөд өөрчлөгдөж буй соронзон орон нь дамжуулагч дотор цахилгаан гүйдэл хэрхэн үүсгэж болохыг тодорхойлдог. 1831 онд Майкл Фарадей нээсэн энэхүү хууль нь цахилгаан соронзон чанарын гол тулгуур бөгөөд цахилгаан үүсгүүр, трансформатор гэх мэт орчин үеийн технологид олон төрлийн хэрэглээтэй. Энэ нийтлэлд Фарадейгийн хуулийн ард байгаа онол, түүнийг дэмждэг туршилтууд болон түүний янз бүрийн практик хэрэглээг нарийвчлан тайлбарлах болно.
Үндсэн онол
Фарадейгийн хуулийн тодорхойлолт
Фарадейгийн хуулиар битүү хэлхээнд өдөөгдсөн цахилгаан хөдөлгөгч хүч (EMF) нь хэлхээгээр дамжин өнгөрөх соронзон урсгалын өөрчлөлтийн хурдтай пропорциональ байна гэж заасан байдаг. Математикийн хувьд энэ хуулийг дараах байдлаар илэрхийлнэ.
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Хаана:
– \( \mathcal{E} \) нь индукцийн цахилгаан хөдөлгөгч хүч (вольтоор),
– \( \Phi_B \) нь соронзон урсгал (веберүүдэд),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) нь соронзон урсгалын өөрчлөлтийн хурд юм.
Энэ тэгшитгэл дэх сөрөг тэмдэг нь Ленцийн хуулиас гаралтай бөгөөд энэ нь өдөөгдсөн EMF-ийн чиглэл нь түүнийг үүсгэдэг соронзон урсгалын өөрчлөлтийг эсэргүүцэхүйц байхаар үргэлж байдаг гэж заадаг.
Соронзон урсгал
Соронзон урсгал \( \Phi_B \) нь өгөгдсөн талбайгаар дамжин өнгөрөх соронзон орны хэмжээг хэмждэг. Соронзон урсгалыг дараах байдлаар тодорхойлно:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \]
Хаана:
– \( B \) нь соронзон орон (Тесла хэлээр),
– \( A \) нь соронзон орны туулсан талбай (квадрат метрээр),
– \( \theta \) нь соронзон орон ба тухайн талбайд перпендикуляр шугамын хоорондох өнцөг юм.
Ленцийн хууль
Ленцийн хууль нь өдөөгдсөн цахилгаан соронзон хүч болон үүссэн гүйдлийн чиглэлийг өгдөг. Ленцийн хуулийн дагуу хэлхээнд үүссэн өдөөгдсөн гүйдэл нь түүнийг үүсгэсэн соронзон урсгалын өөрчлөлтийг эсэргүүцдэг соронзон орон үүсгэдэг. Математикийн хувьд үүнийг Фарадейгийн хуулийн тэгшитгэл дэх сөрөг тэмдгээр илэрхийлдэг.
Фарадейгийн туршилт
Цахилгаан соронзон индукцийн нээлт
Майкл Фарадей 1831 онд соронзон орон ба цахилгаан гүйдлийн хоорондын хамаарлыг судлахын тулд цуврал туршилтуудыг хийжээ. Фарадейгийн гол туршилтуудын нэг нь гальванометр (цахилгаан гүйдлийг хэмжих төхөөрөмж)-тэй холбогдсон утсан ороомог болон багана соронзтой холбоотой байв. Фарадей багана соронзыг ороомог руу эсвэл түүнээс холдуулахад ороомогт цахилгаан гүйдэл үүсч, гальванометрээр илэрсэн болохыг олж мэджээ.
Туршилтын хувилбарууд
Фарадей мөн төмрийн цөмийг ороосон хоёр ороомог утсыг ашиглан энэ туршилтын хувилбарыг хийсэн. Цахилгаан гүйдэл эхний ороомогоор (анхдагч ороомог) дамжин өнгөрөхөд үүссэн соронзон орон нь хоёр дахь ороомогт (хоёрдогч ороомог) цахилгаан гүйдэл үүсгэсэн. Фарадей ороомгийн дагуух өөрчлөгдөж буй соронзон орон нь өдөөгдсөн цахилгаан гүйдлийн шалтгаан болсон гэж дүгнэжээ.
Фарадейгийн хуулийг хэрэглэх нь
Цахилгаан генератор
Цахилгаан генератор нь Фарадейгийн хуулийн үндсэн хэрэглээний нэг юм. Генераторууд нь цахилгаан соронзон индукцийн зарчмаар механик энергийг цахилгаан энерги болгон хувиргадаг. Утасны ороомог соронзон орон дээр эргэлдэх үед ороомгийн дагуух өөрчлөгдөж буй соронзон урсгал нь цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг бөгөөд энэ нь цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг.
1. Хувьсах гүйдлийн генератор
– Ажиллах зарчим: Хувьсах гүйдлийн генератор нь байнгын соронз эсвэл цахилгаан соронзонгоор үүсгэгдсэн соронзон орон ашигладаг. Ороомог соронзон орон дотор эргэлдэх үед ороомгийн дагуух соронзон урсгал өөрчлөгдөж, хувьсах гүйдэл үүсгэдэг.
– Хэрэглээ: Хувьсах гүйдлийн генераторыг том оврын цахилгаан станц, салхин турбин болон зөөврийн генераторуудад ашигладаг.
2. Тогтмол гүйдлийн генератор
– Ажиллах зарчим: Тогтмол гүйдлийн генератор нь ороомогт өдөөгдсөн хувьсах гүйдлийг тогтмол гүйдэл болгон хувиргахын тулд коллектор ашигладаг. Коллектор нь гүйдлийн нэг чиглэлд урсах боломжийг олгодог механик төхөөрөмж юм.
– Хэрэглээ: Тогтмол гүйдлийн генераторуудыг батерей цэнэглэх, яаралтай цахилгаан хангамжийн систем, үйлдвэрлэлийн хэрэглээ зэрэгт ашигладаг.
Трансформатор
Трансформатор гэдэг нь цахилгаан соронзон индукцийн зарчимд үндэслэн цахилгаан түгээлтийн систем дэх хүчдэлийг өөрчилдөг төхөөрөмж юм. Трансформатор нь төмөр цөмийг ороосон анхдагч ба хоёрдогч гэсэн хоёр ороомогоос бүрдэнэ.
– Ажиллах зарчим: Анхдагч ороомогоор урсах цахилгаан гүйдэл нь хоёрдогч ороомогт цахилгаан соронзон урсгал үүсгэдэг. Анхдагч болон хоёрдогч ороомгийн эргэлтийн тоог өөрчлөх замаар шаардлагатай бол хүчдэлийг нэмэгдүүлэх эсвэл бууруулах боломжтой.
– Хэрэглээ: Трансформаторыг цахилгаан түгээлтийн системд цахилгааны хүчдэлийг нэмэгдүүлэх эсвэл бууруулах зорилгоор ашигладаг бөгөөд энэ нь цахилгаан станцаас хэрэглэгчдэд цахилгаан эрчим хүчийг үр ашигтай дамжуулах боломжийг олгодог.
Утасгүй цэнэглэлт
Утасгүй цэнэглэлт нь цахилгаан соронзон индукцийн зарчмыг ашиглан кабельгүйгээр энерги дамжуулах технологи юм.
– Ажиллах зарчим: Утасгүй цэнэглэлт нь цэнэглэх ороомгийн үүсгэсэн соронзон оронг ашиглан цэнэглэгдэх төхөөрөмжид холбогдсон хүлээн авах ороомогт цахилгаан соронзон хүчийг үүсгэдэг. Хувьсах соронзон орон нь хүлээн авах ороомогт цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг бөгөөд үүнийг төхөөрөмжийн батерейг цэнэглэхэд ашигладаг.
– Хэрэглээ: Утасгүй цэнэглэлтийг ухаалаг гар утас, ухаалаг цаг, зөөврийн эмнэлгийн хэрэгсэл зэрэг электрон төхөөрөмжүүдэд ашигладаг.
Холбоотой үзэгдлүүд
1. Хуйлралттай гүйдлийн нөлөө
– Ажиллах зарчим: Хуйлралтай гүйдэл гэдэг нь өөрчлөгдөж буй соронзон орны нөлөөгөөр дамжуулагч дотор үүсдэг гүйдэл юм. Эдгээр хуйлралтай гүйдэл нь тэдгээрийг үүсгэсэн соронзон урсгалын өөрчлөлтийг эсэргүүцдэг соронзон орон үүсгэдэг.
– Хэрэглээ: Хуйлраа гүйдлийг цахилгаан соронзон тоормос, металл илрүүлэх, үл эвдэх туршилтад ашигладаг.
2. Соронзон эсэргүүцэл
– Ажлын зарчим: Соронзон эсэргүүцэл гэдэг нь гадаад соронзон орны нөлөөгөөр материалын цахилгаан эсэргүүцлийн өөрчлөлт юм. Энэ үзэгдлийг өгөгдөл хадгалах технологи болон соронзон мэдрэгчүүдэд ашигладаг.
– Хэрэглээ: Соронзон эсэргүүцлийг хатуу дискний хөтчүүд, хурд мэдрэгч болон байрлал мэдрэгч системд ашигладаг.
3. Холлын эффект
– Үйлдлийн зарчим: Холлын эффект гэдэг нь дамжуулагчийн цахилгаан гүйдэлд перпендикуляр соронзон орон нь дамжуулагчийн дагуу хүчдэлийн зөрүү үүсгэдэг үзэгдэл юм. Энэ хүчдэлийг Холлын хүчдэл гэж нэрлэдэг.
– Хэрэглээ: Холлын эффектийг соронзон орон, хурд, байрлалыг хэмжихэд Холлын мэдрэгчүүдэд ашигладаг.
Дэвшилтэт технологийн хэрэглээ
Эмнэлгийн технологи: MRI (Соронзон резонансын дүрслэл)
MRI нь хүний биеийн дотоод бүтцийн нарийвчилсан зургийг гаргахын тулд соронзон орон болон радио долгионыг ашигладаг эмнэлгийн дүрслэх арга юм.
– Хэрхэн ажилладаг вэ: MRI нь бие доторх протонуудыг чиглүүлэхийн тулд хүчтэй соронзон орон ашигладаг. Соронзон орон асаалттай, унтарсан үед эдгээр протонууд нь дохио ялгаруулдаг бөгөөд үүнийг компьютер барьж аваад дүрс болгон боловсруулдаг.
– Хэрэглээ: MRI нь хавдар, зүрхний өвчин, мэдрэлийн эмгэг зэрэг янз бүрийн өвчнийг оношлоход ашиглагддаг. MRI-ийн давуу тал нь ионжуулагч цацраг ашиглахгүйгээр өндөр нарийвчлалтай дүрс гаргах чадвар юм.
Цахилгаан мотор
Цахилгаан мотор нь цахилгаан соронзон индукцийн зарчим дээр ажилладаг Фарадейгийн хуулийн нийтлэг хэрэглээний нэг юм.
– Ажиллах зарчим: Цахилгаан мотор нь соронзон орон дахь ороомогоор цахилгаан гүйдэл дамжуулж ажилладаг бөгөөд ингэснээр ороомгийг эргүүлэхэд хүргэдэг хүчийг үүсгэдэг.
– Хэрэглээ: Цахилгаан моторыг гэр ахуйн цахилгаан хэрэгслээс эхлээд том үйлдвэрлэлийн машинууд хүртэл олон төрлийн төхөөрөмжид ашигладаг.
Дүгнэлт
Фарадейгийн цахилгаан соронзон индукцийн хууль нь физикийн үндсэн зарчим бөгөөд соронзон орон нь дамжуулагч дотор цахилгаан гүйдэл үүсгэж болохыг тайлбарладаг. 1831 онд Майкл Фарадейгийн нээсэн энэхүү хууль нь цахилгаан үүсгүүр, трансформатор, утасгүй технологи зэрэг орчин үеийн олон технологийн үндэс суурь болсон юм. Фарадейгийн туршилтууд нь соронзон орон ба цахилгаан гүйдлийн хоорондын хамаарлыг харуулсан бөгөөд үүнийг хожим нь математикийн хувьд цахилгаан соронзон индукцийн хууль гэж тодорхойлсон.
Фарадейгийн хуулийн хэрэглээ нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх, түгээх, утасгүй цэнэглэх, анагаах ухааны технологи, цахилгаан мотор зэрэг өргөн хүрээг хамардаг. Хуйлрааны гүйдлийн нөлөө, соронзон эсэргүүцэл, Холлын нөлөө зэрэг холбогдох үзэгдлүүд нь цахилгаан соронзон индукцийн шинжлэх ухаан, технологид өргөн тархсан нөлөөг харуулж байна. Технологи, судалгаа хөгжихийн хэрээр Фарадейгийн хуулийн хэрэглээ өргөжин тэлж, ирээдүйд илүү боловсронгуй, үр ашигтай инновацийн үүд хаалгыг нээх болно.
