Majkl Faradej je bio naučnik čiji je rad imao dubok uticaj na fiziku i inženjerstvo. Zahvaljujući njegovom otkriću, zasnovani su mnogi električni i elektronski uređaji koje koristimo u svakodnevnom životu Faradayev zakon. Ovaj zakon opisuje fenomen elektromagnetska indukcija, u kojem se električna struja inducira u kolu kada se mijenja magnetsko polje koje prolazi kroz njega. Faradejev zakon je od suštinskog značaja za razumijevanje kako se električna energija proizvodi u generatorima i kako rade ključni uređaji kao što su transformatori i elektromotori.
U ovom članku ćemo detaljno istražiti Osobine, primjena i značaj Faradejevog zakona, kao i njegov uticaj na trenutnu tehnologiju.
Glavne karakteristike Faradejevog zakona
Električni naboji u kretanju doživljavaju silu unutar magnetnog polja. Ovaj princip je ključan za opisivanje načina na koji Faradejev zakon funkcioniše. Jasan primjer je žica koja nosi struju, gdje pokretni elektroni stupaju u interakciju s magnetskim poljem. Ako pomjerimo žicu unutar magnetskog polja ili promijenimo jačinu polja tokom vremena, u žici će se stvoriti struja.
La Faradayev zakon kvantificira ovaj odnos između promjene magnetskog polja i inducirane struje. U njenom saopštenju se kaže: “Napon induciran u zatvorenom kolu je direktno proporcionalan brzini promjene magnetnog fluksa koji prelazi površinu ograničenu navedenim krugom”.
Koncept magnetni fluks je ključno ovdje. Magnetski fluks je količina magnetnog polja koja prolazi kroz površinu, a svaka promjena ove vrijednosti zbog vremenskih ili prostornih varijacija u magnetskom polju izaziva elektromotorna sila (EMF) u kolu.
Demonstracija Faradejevog zakona: klasični eksperiment
Faraday je izveo nekoliko eksperimenata kako bi demonstrirao fenomen elektromagnetne indukcije. Jedan od najpoznatijih uključuje dva namotaja žice namotane oko gvozdenog prstena. Kada struja teče u prvoj zavojnici, stvara se magnetsko polje koje prolazi kroz prsten i stiže do drugog zavojnice. Kada se struja u prvoj zavojnici promijeni, mijenja se i magnetsko polje, koje indukuje struju u drugom namotu. Ovaj fenomen se lako može uočiti galvanometrom, koji bilježi indukovanu struju u drugom namotu.
Iz ovog eksperimenta Faraday je formulirao osnovu zakona elektromagnetne indukcije. Ključna stvar koja proizlazi iz njihovih eksperimenata je to magnetsko polje koje se stalno mijenja stvara električno polje, a to je ono što rezultira indukcijom struje.
Nadalje, ovaj princip je fundamentalan za Lenzov zakon, koji to kaže indukovana struja U kolu usmjerenom varijacijom magnetnog polja, on stvara elektromagnetno polje koje se suprotstavlja promjeni koja ga proizvodi.
Odnos između elektriciteta i magnetizma: Faradejev i Maksvelov zakon
Jedno od najvećih dostignuća Michaela Faradaya bilo je eksperimentalno demonstriranje odnosa između campos eléctricos y magnetna polja. Prije njegovog rada, elektricitet i magnetizam su smatrani zasebnim fenomenima. Međutim, Faraday je pokazao da promjenjivo magnetsko polje stvara električno polje, otvarajući vrata ujedinjenom razumijevanju ova dva fenomena. Ovaj rad je kasnije koristio škotski fizičar James Clerk Maxwell da formulišem Maxwellove jednadžbe, koji su osnova moderne elektromagnetske teorije.
Maxwellove jednačine uključuju Faradejev zakon i opisuju kako elektromagnetna polja stupaju u interakciju s električnim nabojima i kako promjenljiva magnetna polja mogu generirati električna polja, i obrnuto.
Faradejeva zakonska formula
Faradejev zakon se matematički izražava na sljedeći način:
EMF (Ɛ) = -dϕ/dt
Gde:
- EMF (Ɛ): Elektromotorna sila ili inducirani napon.
- dϕ/dt: Derivat magnetnog fluksa u odnosu na vrijeme.
Negativan predznak u jednačini predstavlja Lenzov zakon, što ukazuje da inducirana struja uvijek ima smjer takav da se suprotstavlja promjeni magnetskog fluksa koji je uzrokuje.
Koncept magnetskog fluksa, simboliziranog sa ϕ, je ključ za razumijevanje ove jednačine. Magnetski fluks se može definirati kao proizvod magnetskog polja i površine okomite na smjer navedenog polja. Brzina promjene ovog fluksa, bilo promjenom polja ili površine, je ono što indukuje električnu struju.
Primjena Faradejevog zakona u svakodnevnom životu
Faradejev zakon ima brojne primjene koje utiču na naš svakodnevni život, budući da je osnova većeg dijela moderne tehnologije. Evo nekoliko ključnih primjera:
- Električni generatori: Električni generatori pretvaraju mehaničku energiju u električnu koristeći princip elektromagnetne indukcije. U ovim uređajima, zavojnica žice rotira unutar magnetnog polja, koje indukuje električnu struju.
- Električni transformatori: Transformatori su uređaji koji, koristeći elektromagnetnu indukciju, modificiraju napon naizmjenične struje, omogućavajući efikasan transport električne energije na velike udaljenosti.
- Elektromagnetna indukcija u kuhinji: Indukcijski štednjaci koriste princip Faradejevog zakona za stvaranje topline u metalnim posudama kroz struje inducirane magnetnim poljima.
- Bežično punjenje: Mnoge tehnologije bežičnog punjenja, uključujući one koje se koriste u mobilnim uređajima, oslanjaju se na princip elektromagnetne indukcije za bežični prijenos energije.
Veza između indukcije i magnetne sile
Faradejev zakon je također povezan s magnetskom silom koja djeluje na nabijene čestice. Ako uzmemo u obzir slobodni elektron koji se kreće u žici i stavimo tu žicu u magnetsko polje, kretanje žice okomito na magnetsko polje stvara silu na elektron. Ova sila je ono što uzrokuje indukovanu struju unutar žice.
Ključno je da, iako magnetno polje ne radi direktno, njegova interakcija sa kretanjem naelektrisanja stvara fenomen elektromagnetne indukcije. Nadalje, smjer inducirane struje je prilagođen tako da se suprotstavi promjeni magnetnog polja, u skladu s Lenzovim zakonom.
Faradejev zakon i njegov princip elektromagnetne indukcije ključni su za većinu tehnologije koju danas koristimo. Od električnih generatora do bežičnog punjenja, magnetna i električna polja su duboko isprepletena zahvaljujući ovom zakonu koji je otkrio sjajni naučnik Michael Faraday.