Hukum Faraday
Invoering
De wet van Faraday over elektromagnetische inductie is een fundamenteel principe in de natuurkunde dat beschrijft hoe een veranderend magnetisch veld een elektrische stroom in een geleider kan opwekken. Deze wet, ontdekt door Michael Faraday in 1831, is een belangrijke pijler van het elektromagnetisme en heeft talloze toepassingen in de moderne technologie, zoals elektrische generatoren en transformatoren. Dit artikel beschrijft de theorie achter de wet van Faraday, de experimenten die deze ondersteunen en de verschillende praktische toepassingen ervan.
Basistheorie
Definitie van de wet van Faraday
De wet van Faraday stelt dat de elektromotorische kracht (EMK) die in een gesloten circuit wordt opgewekt, evenredig is met de snelheid waarmee de magnetische flux door het circuit verandert. Mathematisch luidt deze wet als volgt:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Di mana:
– \( \mathcal{E} \) is de geïnduceerde EMF (in volt),
– \( \Phi_B \) is de magnetische flux (in webers),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) is de veranderingssnelheid van de magnetische flux.
Het minteken in deze vergelijking komt voort uit de wet van Lenz, die stelt dat de richting van de geïnduceerde elektromotorische kracht (EMK) altijd zodanig is dat deze de verandering in magnetische flux die de EMK veroorzaakt, tegenwerkt.
Magnetische flux
Magnetische flux \( \Phi_B \) is een maat voor de hoeveelheid magnetisch veld die door een bepaald oppervlak gaat. Magnetische flux wordt als volgt gedefinieerd:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\theta) \]
Di mana:
– \( B \) is het magnetische veld (in tesla),
– \( A \) is het oppervlak dat door het magnetische veld wordt bestreken (in vierkante meters),
– \( \theta \) is de hoek tussen het magnetische veld en de lijn loodrecht op het gebied.
De wet van Lenz
De wet van Lenz geeft de richting van de geïnduceerde elektromotorische kracht (EMK) en de resulterende stroom aan. Volgens de wet van Lenz produceert een geïnduceerde stroom in een circuit een magnetisch veld dat de verandering in magnetische flux die de stroom veroorzaakte, tegenwerkt. Mathematisch wordt dit uitgedrukt door het minteken in de vergelijking van de wet van Faraday.
Faraday's experiment
Ontdekking van elektromagnetische inductie
Michael Faraday voerde in 1831 een reeks experimenten uit om de relatie tussen magnetische velden en elektrische stromen te bestuderen. Een van Faradays belangrijkste experimenten betrof een spoel van draad die was verbonden met een galvanometer (een apparaat voor het meten van elektrische stroom) en een staafmagneet. Faraday ontdekte dat wanneer de staafmagneet naar de spoel toe of ervan af werd bewogen, er een elektrische stroom in de spoel werd opgewekt, die door de galvanometer werd gedetecteerd.
Experimentele variaties
Faraday voerde ook een variant van dit experiment uit met twee spoelen draad gewikkeld rond een ijzeren kern. Wanneer er een elektrische stroom door de eerste spoel (de primaire spoel) werd geleid, wekte het resulterende magnetische veld een elektrische stroom op in de tweede spoel (de secundaire spoel). Faraday concludeerde dat het veranderende magnetische veld over de spoelen de oorzaak was van de opgewekte elektrische stroom.
Toepassing van de wet van Faraday
Elektrische generator
Een elektrische generator is een van de belangrijkste toepassingen van de wet van Faraday. Generatoren zetten mechanische energie om in elektrische energie door middel van elektromagnetische inductie. Wanneer een draadspoel in een magnetisch veld roteert, wekt de veranderende magnetische flux door de spoel een elektromotorische kracht (EMK) op, die een elektrische stroom induceert.
1. Wisselstroomgenerator
– Werkingsprincipe: Een wisselstroomgenerator gebruikt een magnetisch veld dat wordt opgewekt door een permanente magneet of elektromagneet. Wanneer een spoel in het magnetische veld roteert, verandert de magnetische flux door de spoel, waardoor een wisselstroom ontstaat.
– Toepassingen: Wisselstroomgeneratoren worden gebruikt in grootschalige energiecentrales, windturbines en draagbare generatoren.
2. DC (gelijkstroom) generator
– Werkingsprincipe: Een gelijkstroomgenerator gebruikt een commutator om de in de spoel opgewekte wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. De commutator is een mechanisch apparaat dat ervoor zorgt dat de stroom slechts in één richting vloeit.
– Toepassingen: DC-generatoren worden gebruikt in toepassingen zoals het opladen van accu's, noodstroomsystemen en industriële toepassingen.
transformator
Een transformator is een apparaat dat de spanning in een elektrisch distributienetwerk verandert, gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie. Een transformator bestaat uit twee spoelen, een primaire en een secundaire, die om een ijzeren kern zijn gewikkeld.
– Werkingsprincipe: De elektrische stroom die door de primaire spoel loopt, wekt een magnetische flux op die een elektromotorische kracht (EMK) in de secundaire spoel induceert. Door het aantal windingen in de primaire en secundaire spoel te variëren, kan de spanning naar behoefte worden verhoogd of verlaagd.
– Toepassingen: Transformatoren worden in elektriciteitsdistributiesystemen gebruikt om de elektrische spanning te verhogen of te verlagen, waardoor een efficiënte overdracht van elektriciteit van energiecentrales naar consumenten mogelijk is.
Draadloos opladen
Draadloos opladen is een technologie die gebruikmaakt van het principe van elektromagnetische inductie om energie over te dragen zonder kabels.
– Werkingsprincipe: Draadloos opladen maakt gebruik van het magnetische veld dat door de laadspoel wordt gegenereerd om een elektromotorisch veld (EMK) op te wekken in de ontvangstspoel die aan het op te laden apparaat is bevestigd. Het veranderende magnetische veld produceert een elektrische stroom in de ontvangstspoel, die wordt gebruikt om de batterij van het apparaat op te laden.
– Toepassingen: Draadloos opladen wordt gebruikt in elektronische apparaten zoals smartphones, smartwatches en draagbare medische apparaten.
Gerelateerde verschijnselen
1. Wervelstroomeffect
– Werkingsprincipe: Wervelstromen zijn stromen die in een geleider worden opgewekt door een veranderend magnetisch veld. Deze wervelstromen produceren een magnetisch veld dat de verandering in magnetische flux, die ze veroorzaakte, tegenwerkt.
– Toepassingen: Wervelstroom wordt gebruikt in elektromagnetische remmen, metaaldetectie en niet-destructief onderzoek.
2. Magnetoweerstand
– Werkingsprincipe: Magnetoweerstand is de verandering in de elektrische weerstand van een materiaal als gevolg van een extern magnetisch veld. Dit fenomeen wordt gebruikt in dataopslagtechnologie en magnetische sensoren.
– Toepassingen: Magnetoweerstand wordt gebruikt in harde schijven, snelheidssensoren en positiedetectiesystemen.
3. Hall-effect
– Werkingsprincipe: Het Hall-effect is een fenomeen waarbij een magnetisch veld loodrecht op de elektrische stroom in een geleider een spanningsverschil over de geleider veroorzaakt. Deze spanning wordt de Hall-spanning genoemd.
– Toepassingen: Het Hall-effect wordt in Hall-sensoren gebruikt om magnetische velden, snelheid en positie te meten.
Toepassingen van geavanceerde technologie
Medische technologie: MRI (Magnetische resonantiebeeldvorming)
MRI is een medische beeldvormingstechniek die magnetische velden en radiogolven gebruikt om gedetailleerde beelden te produceren van de interne structuren van het menselijk lichaam.
– Hoe het werkt: MRI gebruikt een sterk magnetisch veld om protonen in het lichaam te oriënteren. Wanneer het magnetische veld aan en uit wordt gezet, zenden deze protonen signalen uit die door een computer worden opgevangen en verwerkt tot beelden.
– Toepassingen: MRI wordt gebruikt voor de diagnose van diverse medische aandoeningen, waaronder tumoren, hartaandoeningen en neurologische aandoeningen. Het voordeel van MRI is dat het zeer gedetailleerde beelden kan produceren zonder gebruik te maken van ioniserende straling.
Elektrische motor
Elektromotoren zijn een van de meest voorkomende toepassingen van de wet van Faraday, die gebaseerd is op het principe van elektromagnetische inductie.
– Werkingsprincipe: Elektromotoren werken door elektrische stroom door een spoel te laten lopen die zich in een magnetisch veld bevindt, waardoor een kracht ontstaat die de spoel doet draaien.
– Toepassingen: Elektromotoren worden gebruikt in een breed scala aan apparaten, van huishoudelijke apparaten tot grote industriële machines.
conclusie
De wet van Faraday over elektromagnetische inductie is een fundamenteel principe in de natuurkunde dat verklaart hoe een veranderend magnetisch veld een elektrische stroom in een geleider kan opwekken. Deze wet, ontdekt door Michael Faraday in 1831, is de basis geworden van vele moderne technologieën, waaronder elektrische generatoren, transformatoren en draadloze technologie. Faradays experimenten toonden het verband aan tussen magnetische velden en elektrische stroom, wat later wiskundig werd beschreven als de wet van elektromagnetische inductie.
De toepassingen van de wet van Faraday zijn enorm en bestrijken gebieden zoals elektriciteitsopwekking, -distributie, draadloos opladen, medische technologie en elektromotoren. Verwante verschijnselen zoals het wervelstroomeffect, magnetoresistentie en het Hall-effect tonen de alomvattende invloed van elektromagnetische inductie op wetenschap en technologie aan. Naarmate technologie en onderzoek zich verder ontwikkelen, zullen de toepassingen van de wet van Faraday blijven uitbreiden, wat de weg vrijmaakt voor nog geavanceerdere en efficiëntere innovaties in de toekomst.
