ریاضیات

قانون فارادی چیست؟

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی (به آن قانون فارادی گفته می‌شود) یک قانون اساسی الکترومغناطیس است که پیش‌بینی می‌کند چگونه یک میدان مغناطیسی با یک مدار الکتریکی برهمکنش می‌کند تا نیروی الکتروموتور (EMF) تولید کند. این پدیده به القای الکترومغناطیسی معروف است.

قانون فارادی بیان می کند که جریانی در رسانایی که در معرض یک میدان مغناطیسی متغیر است القا می شود. قانون القای الکترومغناطیسی لنز بیان می کند که جهت این جریان القایی به گونه ای خواهد بود که میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان القایی با میدان مغناطیسی در حال تغییر اولیه که آن را تولید می کند مخالفت کند. جهت این جریان را می توان با استفاده از قانون دست راست فلمینگ تعیین کرد .

قانون القایی فارادی اصل کار ترانسفورماتورها ، موتورها ، ژنراتورها و سلف ها را توضیح می دهد . نام این قانون از مایکل فارادی گرفته شده است که آزمایشی با آهنربا و سیم پیچ انجام داد. در طول آزمایش فارادی، او کشف کرد که چگونه EMF در یک سیم پیچ القا می شود، زمانی که شار عبوری از سیم پیچ تغییر می کند.

آزمایش فارادی

در این آزمایش، فارادی یک آهنربا و یک سیم پیچ می گیرد و یک گالوانومتر را در سراسر سیم پیچ وصل می کند. هنگام شروع، آهنربا در حالت استراحت است، بنابراین هیچ انحرافی در گالوانومتر وجود ندارد، یعنی سوزن گالوانومتر در مرکز یا موقعیت صفر است. هنگامی که آهنربا به سمت سیم پیچ حرکت می کند، سوزن گالوانومتر در یک جهت منحرف می شود.

هنگامی که آهنربا در آن موقعیت ثابت نگه داشته می شود، سوزن گالوانومتر به موقعیت صفر برمی گردد. حالا وقتی آهنربا از سیم پیچ دور می شود، مقداری انحراف در سوزن ایجاد می شود، اما در جهت مخالف، و دوباره وقتی آهنربا ثابت می شود، در آن نقطه نسبت به سیم پیچ، سوزن گالوانومتر به حالت صفر برمی گردد. به طور مشابه، اگر آهنربا ثابت نگه داشته شود و سیم پیچ دور شود و به سمت آهنربا حرکت کند، گالوانومتر به طور مشابه انحراف را نشان می دهد. همچنین مشاهده می شود که هرچه سرعت تغییر میدان مغناطیسی بیشتر باشد، EMF یا ولتاژ القایی در سیم پیچ بیشتر خواهد بود.

نتیجه‌گیری: از این آزمایش، فارادی به این نتیجه رسید که هرگاه بین یک هادی و یک میدان مغناطیسی حرکت نسبی وجود داشته باشد، پیوند شار با یک سیم‌پیچ تغییر می‌کند و این تغییر در شار باعث القای ولتاژ در یک سیم‌پیچ می‌شود.

مایکل فارادی بر اساس آزمایشات فوق دو قانون را تدوین کرد. این قوانین را قوانین القای الکترومغناطیسی فارادی می نامند .

قانون اول فارادی

هر گونه تغییر در میدان مغناطیسی یک سیم پیچ باعث القای emf در سیم پیچ می شود. این emf القایی را emf القایی می گویند و در صورت بسته بودن مدار هادی جریان نیز در مدار گردش می کند و این جریان را جریان القایی می نامند.
روش تغییر میدان مغناطیسی:

1. با حرکت یک آهنربا به سمت یا دور کردن سیم پیچ
2. با حرکت سیم پیچ به داخل یا خارج از میدان مغناطیسی
3. با تغییر مساحت یک سیم پیچ قرار گرفته در میدان مغناطیسی
4. با چرخاندن سیم پیچ نسبت به آهنربا

قانون دوم فارادی

بیان می کند که بزرگی emf القا شده در سیم پیچ برابر با نرخ تغییر شار است که با سیم پیچ پیوند می یابد. پیوند شار سیم پیچ حاصل ضرب تعداد دور سیم پیچ و شار مرتبط با سیم پیچ است.

فرمول قانون فارادی

در نظر بگیرید، یک آهنربا به سمت یک سیم پیچ نزدیک می شود. در اینجا ما دو لحظه در زمان T 1 و زمان T 2 را در نظر می گیریم .

اتصال شار با سیم پیچ در زمان،

اتصال شار با سیم پیچ در زمان،

تغییر در پیوند شار،

بگذارید این تغییر در پیوند شار باشد،

بنابراین، تغییر در پیوند شار

اکنون نرخ تغییر پیوند شار

مشتق سمت راست را بگیرید

نرخ تغییر پیوند شار

اما طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، نرخ تغییر پیوند شار برابر با emf القایی است.

با توجه به قانون لنز.

جایی که:

• شار Φ در Wb = BA
• B = قدرت میدان مغناطیسی
• A = مساحت سیم پیچ

نحوه افزایش EMF القا شده در یک سیم پیچ

• با افزایش تعداد دور سیم پیچ یعنی N، از فرمول های بدست آمده در بالا به راحتی می توان دریافت که اگر تعداد چرخش های یک سیم پیچ افزایش یابد، emf القایی نیز افزایش می یابد.
• با افزایش قدرت میدان مغناطیسی یعنی B احاطه کننده سیم پیچ - از نظر ریاضی، اگر میدان مغناطیسی افزایش یابد، شار افزایش می یابد و اگر شار افزایش یابد، emf القایی نیز افزایش می یابد. از نظر تئوری، اگر سیم‌پیچ از یک میدان مغناطیسی قوی‌تر عبور داده شود، خطوط نیروی بیشتری برای برش سیم‌پیچ وجود خواهد داشت و در نتیجه emf بیشتری القا می‌شود.
• با افزایش سرعت حرکت نسبی بین سیم پیچ و آهنربا - اگر سرعت نسبی بین سیم پیچ و آهنربا از مقدار قبلی خود افزایش یابد، سیم پیچ خطوط شار را با سرعت بیشتری قطع می کند، بنابراین emf القایی بیشتری خواهد داشت. تولید شده.

کاربردهای قانون فارادی

قانون فارادی یکی از اساسی ترین و مهم ترین قوانین الکترومغناطیس است. این قانون در اکثر ماشین های برقی، صنایع و رشته های پزشکی و غیره کاربرد دارد.

• ترانسفورماتورهای قدرت بر اساس قانون فارادی کار می کنند
• اصل کار ژنراتور الکتریکی قانون القای متقابل فارادی است .
• اجاق القایی سریعترین روش پخت و پز است. همچنین بر اساس اصل القای متقابل کار می کند. هنگامی که جریان از سیم پیچ سیم مسی که در زیر ظرف پخت قرار داده شده است عبور می کند، یک میدان مغناطیسی در حال تغییر ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی متناوب یا در حال تغییر، یک emf و در نتیجه جریان را در ظرف رسانا القا می کند و می دانیم که جریان جریان همیشه در آن گرما تولید می کند.
• فلومتر الکترومغناطیسی برای اندازه گیری سرعت سیالات خاص استفاده می شود. هنگامی که یک میدان مغناطیسی به یک لوله عایق الکتریکی که سیالات رسانا در آن جریان دارند اعمال می شود، طبق قانون فارادی، نیروی الکتروموتور به آن القا می شود. این emf القایی متناسب با سرعت جریان سیال است.
• از مبانی نظریه الکترومغناطیسی، ایده فارادی از خطوط نیرو در معادلات معروف ماکسول استفاده شده است. طبق قانون فارادی، تغییر میدان مغناطیسی باعث ایجاد تغییر در میدان الکتریکی می شود و برعکس آن در معادلات ماکسول استفاده می شود.
• همچنین در آلات موسیقی مانند گیتار الکتریک، ویولن الکتریک و غیره استفاده می شود.

https://www.electrical4u.com/faraday-law-of-electromagnetic-induction/