اثرات میدان های مغناطیسی مختلف

ادغام الکتریسیته و مغناطیس از پدیده های متمایز به الکترومغناطیس به سه رویداد نزدیک مرتبط است. اولین مورد، کشف تصادفی هانس کریستین اورستد از تأثیر جریان الکتریکی بر یک سوزن مغناطیسی بود - یعنی میدان های مغناطیسی توسط جریان های الکتریکی تولید می شوند. گزارش اورستد در سال 1820 از مشاهداتش، تلاش شدید دانشمندان را برای اثبات اینکه میدان های مغناطیسی می توانند جریان القا کنند، برانگیخت. رویداد دوم بوداثبات تجربی فارادی مبنی بر اینکه یک میدان مغناطیسی در حال تغییر می تواند جریانی را در مدار القا کند . سومین پیش‌بینی ماکسول مبنی بر اینکه یک میدان الکتریکی متغیر دارای یک میدان مغناطیسی مرتبط است. انقلاب تکنولوژیک منتسب به توسعه برق و ارتباطات رادیویی را می توان در این سه نقطه عطف دنبال کرد.

قانون استقرا فارادی

کشف پدیده القای مغناطیسی توسط فارادی در سال 1831 یکی از نقاط عطف بزرگ در تلاش برای درک و بهره برداری از طبیعت است. با بیان ساده، فارادی دریافت که (1) یک تغییر است میدان مغناطیسی در مدار باعث القای یکنیروی الکتروموتور در مدار؛ و (2) بزرگی نیروی محرکه الکتریکی برابر با سرعتی است که در آن شار میدان مغناطیسی در مدار تغییر می کند. شار اندازه گیری میزان نفوذ میدان در مدار است. نیروی الکتروموتور بر حسب ولت اندازه گیری می شود و با معادله نشان داده می شود

در اینجا، Φ، شار میدان برداری B از مدار، اندازه گیری می کند که چه مقدار از میدان از مدار عبور می کند. برای نشان دادن معنای شار، تصور کنید چه مقدار آب از یک باران ثابت از یک حلقه دایره ای به مساحت A عبور می کند . هنگامی که حلقه به موازات مسیر قطرات آب قرار می گیرد، آبی از حلقه عبور نمی کند. حداکثر سرعت عبور قطرات باران از حلقه زمانی اتفاق می افتد که سطح عمود بر حرکت قطرات باشد. سرعت عبور قطرات آب از سطح، شار میدان برداری ρv در آن سطح است ، که ρ چگالی قطرات آب و v نشان دهنده سرعت آب است. واضح است که زاویه بین v و سطح در تعیین شار ضروری است. برای تعیین جهت سطح، بردار A تعریف می شود به طوری که قدر آن مساحت سطح A بر حسب متر مربع و جهت آن عمود بر سطح باشد. سرعت عبور قطرات باران از سطح ρ v cos θ A است که θ زاویه بین v و A است . با استفاده از نماد برداری ، شار ρ v · A است . برای میدان مغناطیسی، مقدار شار در یک منطقه کوچک که با بردار d A نشان داده شده است با B · d A داده می شود . برای مداری که از یک دور سیم تشکیل شده است، با اضافه کردن مشارکت‌های کل سطحی که توسط سیم احاطه شده است، شار مغناطیسی Φ معادله ( 1 ) به دست می‌آید. سرعت تغییر این شار، نیروی الکتروموتور القایی است. واحدهای شار مغناطیسی هستندوبرها ، با یک وبر برابر با یک تسلا در هر متر مربع. در نهایت، علامت منفی در معادله ( 1 ) جهت نیروی الکتروموتور القایی و در نتیجه هر جریان القایی را نشان می دهد. شار مغناطیسی از مدار تولید شده توسط جریان القایی در هر جهتی است که از تغییر کل شار در مدار جلوگیری کند. علامت منفی در معادله ( 1 ) نمونه ای از آن استقانون لنز برای سیستم های مغناطیسی این قانون که توسط فیزیکدان روسی الاصل هاینریش فردریش امیل لنز استنباط شده است، بیان می کند که «آنچه اتفاق می افتد چیزی است که با هر تغییری در سیستم مخالف است».

نمایش قوانین فارادی و لنز

شکل 4: نمایش قوانین فارادی و لنز.

قانون فارادی بدون توجه به فرآیندی که باعث تغییر شار مغناطیسی می شود معتبر است. ممکن است یک آهنربا به یک مدار نزدیکتر شود یا یک مدار به یک آهنربا نزدیکتر شود. شکل 4 آهنربایی را نشان می دهد که نزدیک یک حلقه رسانا قرار گرفته است و جهت جریان و میدان القایی را نشان می دهد، بنابراین هر دو قانون فارادی و لنز را نشان می دهد. جایگزین دیگر این است که اندازه مدار ممکن است در یک میدان مغناطیسی خارجی ثابت تغییر کند یا مانند مورد تولید جریان متناوب (AC)، مدار ممکن است سیم پیچی از سیم رسانا باشد که در میدان مغناطیسی می چرخد ​​به طوری که شار Φ به صورت سینوسی در زمان تغییر می کند.