Jika kita mengambil suatu sistem penghantar tertutup dan menciptakan kondisi di dalamnya agar fluks magnet berubah dalam medan magnet, maka akibat dari pergerakan tersebut akan muncul arus listrik. Keadaan ini menggambarkan hukum induksi elektromagnetik Faraday - seorang ilmuwan Inggris yang, selama eksperimennya, mencapai konversi energi magnet menjadi listrik. Disebut induktif, karena selama ini hanya dapat diciptakan melalui sarana.
Sejarah penemuan
Fenomena induksi elektromagnetik ditemukan oleh dua ilmuwan sekaligus. Michael Faraday dan Joseph Henry-lah yang membuat penemuan mereka pada tahun 1831. Publikasi hasil eksperimennya dilakukan Faraday di hadapan rekannya, sehingga induksi dikaitkan dengan ilmuwan ini. Konsep ini kemudian dimasukkan ke dalam sistem GHS.
Untuk mendemonstrasikan fenomena tersebut, digunakan torus besi, yang mengingatkan pada konfigurasi trafo modern. Sisi berlawanannya dibungkus dengan dua konduktor untuk menggunakan sifat elektromagnetik.
Sebuah arus dihubungkan ke salah satu kabel, menyebabkan semacam gelombang listrik ketika melewati torus, dan beberapa lonjakan listrik dengan sisi yang berlawanan. Adanya arus terdeteksi oleh galvanometer. Gelombang listrik yang sama persis terjadi pada saat kabel dicabut.
Secara bertahap, bentuk lain dari manifestasi induksi elektromagnetik ditemukan. Terjadinya arus jangka pendek diamati selama pembangkitannya pada piringan tembaga yang berputar di dekat magnet. Kabel listrik geser dipasang pada disk itu sendiri.
Gagasan terbesar tentang apa yang dimaksud dengan induktansi diberikan oleh percobaan dengan dua kumparan. Salah satunya, yang dimensinya lebih kecil, disambungkan ke baterai cair yang terletak pada gambar dengan sisi kanan. Dengan demikian, arus listrik mulai mengalir melalui kumparan ini, di bawah pengaruh medan magnet yang timbul.
Ketika kedua kumparan berada dalam posisi diam relatif satu sama lain, tidak ada fenomena yang terjadi. Ketika kumparan kecil mulai bergerak, yaitu keluar atau masuk ke dalam kumparan besar, terjadilah perubahan fluks magnet. Akibatnya timbul gaya gerak listrik pada kumparan yang besar.
Penemuan Faraday selanjutnya disempurnakan oleh ilmuwan lain, Maxwell, yang membuktikannya secara matematis, dengan menggambarkan fenomena fisik ini. persamaan diferensial. Fisikawan lain berhasil menentukan arah arus listrik dan ggl yang diperoleh akibat pengaruh induksi elektromagnetik.
Hukum induksi elektromagnetik
Inti dari induksi elektromagnetik ditentukan oleh loop tertutup dengan konduktivitas listrik, yang luasnya memungkinkan fluks magnet yang berubah melewatinya. Pada saat ini, di bawah pengaruh fluks magnet, gaya gerak listrik Ei muncul dan arus listrik mulai mengalir dalam rangkaian.
Hukum Faraday untuk induksi elektromagnetik adalah ggl dan kecepatan berbanding lurus. Kecepatan ini mewakili waktu selama fluks magnet mengalami perubahan.
hukum ini dinyatakan dengan rumus Ei = - ∆Ф/∆t, dimana Ei adalah nilai gaya gerak listrik yang timbul pada rangkaian, dan ∆Ф/∆t adalah laju perubahan fluks magnet. Pada rumus ini, tanda minus masih belum sepenuhnya jelas, namun juga memiliki penjelasan tersendiri. Sesuai dengan aturan ilmuwan Rusia Lenz, yang mempelajari penemuan Faraday, tanda ini mencerminkan arah EMF yang timbul pada rangkaian. Artinya, arah arus induksi terjadi sedemikian rupa sehingga fluks magnet yang ditimbulkannya pada daerah yang dibatasi oleh rangkaian mencegah perubahan yang disebabkan oleh arus tersebut.
Penemuan Faraday dikembangkan lebih lanjut oleh Maxwell yang teorinya medan elektromagnetik mendapat arahan baru. Hasilnya, muncul hukum Faraday dan Maxwell, yang dinyatakan dalam rumus berikut:
- Edl = -∆Ф/∆t - menampilkan gaya gerak listrik.
- Hdl = -∆N/∆t - menampilkan gaya gerak magnet.
Dalam rumus ini, E berhubungan dengan tegangan medan listrik pada suatu daerah dl, H adalah kuat medan magnet pada daerah yang sama, N adalah aliran induksi listrik, t adalah periode waktu.
Kedua persamaan dibedakan berdasarkan simetrinya, yang memungkinkan kita menyimpulkan bahwa fenomena magnet dan listrik saling berhubungan. DENGAN titik fisik Dari sudut pandang, rumus ini mendefinisikan hal-hal berikut:
- Perubahan medan listrik selalu disertai dengan terbentuknya medan magnet.
- Perubahan medan magnet selalu terjadi bersamaan dengan terbentuknya medan listrik.
Perubahan fluks magnet yang melewati konfigurasi tertutup dari rangkaian penghantar menyebabkan munculnya rangkaian ini arus listrik. Inilah rumusan dasar hukum Faraday. Jika Anda membuat rangka kawat dan meletakkannya di dalam magnet yang berputar, listrik akan muncul di rangka itu sendiri.
Ini akan menjadi arus induksi, sesuai sepenuhnya dengan teori dan hukum Michael Faraday. Perubahan fluks magnet yang melewati rangkaian bisa berubah-ubah. Akibatnya, rumus ∆Ф/∆t tidak hanya linier, tetapi dalam kondisi tertentu dapat mengambil konfigurasi apa pun. Jika perubahan terjadi secara linear, maka EMF elektromagnetik induksi yang terjadi pada rangkaian akan konstan. Interval waktu t menjadi berapa pun yang Anda inginkan, dan rasio ∆Ф/∆t tidak akan bergantung pada durasinya.
Jika mereka mengambil lebih banyak bentuk yang kompleks, Itu emf yang diinduksi tidak lagi konstan, tetapi akan bergantung pada periode waktu tertentu. Dalam hal ini selang waktu dianggap sebagai nilai yang sangat kecil dan kemudian rasio ∆Ф/∆t dari sudut pandang matematika akan menjadi turunan dari perubahan fluks magnet.
Ada pilihan lain yang menafsirkan hukum induksi elektromagnetik Faraday. Rumusan singkatnya menjelaskan bahwa aksi medan magnet bolak-balik menyebabkan munculnya medan listrik pusaran. Hukum yang sama dapat diartikan sebagai salah satu ciri medan elektromagnetik: vektor kuat medan dapat bersirkulasi di sepanjang rangkaian mana pun dengan kecepatan kecepatan yang sama perubahan fluks magnet yang melewati rangkaian tertentu.
Listrik mempunyai kemampuan untuk menghasilkan medan magnet. Pada tahun 1831, M. Faraday memperkenalkan konsep induksi elektromagnetik. Ia mampu memperoleh listrik dalam sistem konduktor tertutup, yang muncul ketika fluks magnet berubah. Rumus hukum Faraday memberi dorongan bagi perkembangan elektrodinamika.
Sejarah perkembangan
Setelah pembuktian hukum induksi elektromagnetik oleh ilmuwan Inggris M. Faraday, ilmuwan Rusia E. Lenz dan B. Jacobi mengerjakan penemuan tersebut. Berkat kerja mereka, saat ini prinsip yang dikembangkan menjadi dasar berfungsinya banyak perangkat dan mekanisme.
Unit utama yang menerapkan hukum induksi elektromagnetik Faraday adalah motor, transformator, dan banyak perangkat lainnya.
Induksi adalah nama elektromagnetik yang diberikan pada induksi arus listrik dalam sistem konduksi tertutup. Fenomena ini menjadi mungkin ketika bergerak secara fisik melalui sistem penghantar medan magnet. Tindakan mekanis menghasilkan listrik. Biasanya disebut induksi. Sebelum ditemukannya hukum Faraday, umat manusia tidak mengetahui metode lain untuk menghasilkan listrik selain galvanisasi.
Jika medan magnet dilewatkan melalui suatu penghantar, maka akan timbul ggl induksi di dalamnya. Ini juga disebut gaya gerak listrik. Dengan bantuan penemuan ini, indikator dapat diukur.
Bukti eksperimental
Dalam melakukan penelitiannya, ilmuwan Inggris menemukan bahwa arus induksi diperoleh melalui salah satu dari dua cara. Pada percobaan pertama, muncul ketika bingkai bergerak dalam medan magnet yang diciptakan oleh kumparan stasioner. Metode kedua melibatkan posisi bingkai yang tetap. Dalam percobaan ini, hanya medan kumparan yang berubah ketika ia bergerak atau arus di dalamnya berubah.
Eksperimen Faraday mengarahkan peneliti pada kesimpulan bahwa ketika arus induksi dihasilkan, hal itu dipicu oleh peningkatan atau penurunan fluks magnet dalam sistem. Selain itu, eksperimen Faraday memungkinkan untuk menegaskan bahwa nilai listrik yang diperoleh secara eksperimental tidak bergantung pada metodologi yang digunakan untuk mengubah aliran induksi magnet. Indikator ini hanya dipengaruhi oleh kecepatan perubahan tersebut.
Ekspresi kuantitatif
Memasang nilai kuantitatif Fenomena induksi elektromagnetik diperbolehkan oleh hukum Faraday. Dinyatakan bahwa EMF yang ditentukan dalam sistem mengubah nilainya sebanding dengan kecepatan aliran dalam konduktor. Rumusnya akan terlihat seperti ini:
Tanda negatif menunjukkan bahwa EMF mencegah terjadinya perubahan di dalam rangkaian. Untuk mengatasi beberapa masalah tanda negatif tidak termasuk dalam rumus. Dalam hal ini, hasilnya ditulis sebagai modul.
Sistem mungkin mencakup beberapa putaran. Nomor mereka ditunjukkan huruf latin N. Semua elemen rangkaian ditembus oleh fluks magnet tunggal. GGL induksi akan dihitung sebagai berikut:
Contoh nyata dari penciptaan kembali listrik dalam konduktor adalah kumparan yang dilalui magnet permanen.
Karya E. Lenz
Arah arus induksi memungkinkan untuk menentukan aturan Lenz. Rumusan singkatnya terdengar cukup sederhana. Arus yang muncul ketika parameter medan rangkaian konduktor berubah, berkat medan magnetnya, mencegah perubahan tersebut.
Jika magnet dimasukkan secara bertahap ke dalam kumparan, tingkat fluks magnet di dalamnya meningkat. Menurut aturan Lenz, arah medan magnet akan berlawanan dengan pertambahan medan magnet. Untuk memahami arah ini, kita perlu melihat magnet dari sisi utara. Dari sini gimlet akan disekrupkan ke arahnya Kutub Utara. Arus akan bergerak searah jarum jam.
Jika magnet dikeluarkan dari sistem, fluks magnet di dalamnya akan berkurang. Untuk menentukan arah arus, gimlet dibuka. Rotasi akan diarahkan ke arah sisi sebaliknya menggerakkan tombol searah jarum jam.
Formulasi Lenz menjadi nilai yang besar untuk sistem dengan loop tertutup dan tidak ada hambatan. Biasanya disebut kontur ideal. Menurut aturan Lenz, tidak mungkin menambah atau mengurangi fluks magnet di dalamnya.
Konsep induksi diri
Generasi induksi di sistem yang ideal, yang terjadi ketika listrik berkurang atau bertambah pada suatu konduktor, disebut induksi diri.
Hukum Faraday untuk induksi diri dinyatakan dengan persamaan ketika tidak ada perubahan lain yang terjadi ketika listrik berubah:
dimana e adalah ggl, L adalah induktansi kumparan tertutup, ΔI/Δt adalah kecepatan terjadinya perubahan arus.
Induktansi
Hubungan yang menunjukkan proporsionalitas antar kategori seperti kuat arus dalam sistem penghantar dan fluks magnet disebut induktansi. Indikatornya dipengaruhi oleh dimensi fisik kumparan dan karakteristik magnetik lingkungan. Hubungan tersebut digambarkan dengan rumus:
Listrik yang bergerak dalam suatu rangkaian memicu munculnya medan magnet. Ia menembus konduktornya sendiri dan menyebabkan alirannya sendiri muncul melalui rangkaian. Lebih-lebih lagi aliran sendiri sebanding dengan listrik yang menghasilkannya:
Nilai induktansi juga dibentuk dari hukum Faraday.
Sistem real estat
Gaya Lorentz menjelaskan terjadinya EMF ketika sistem bergerak dalam medan yang nilainya konstan. EMF induksi mempunyai kemampuan untuk timbul ketika suatu sistem penghantar stasioner berada dalam medan magnet bolak-balik. Gaya Lorentz pada contoh ini tidak mampu menjelaskan munculnya ggl induksi.
Untuk sistem konduksi tipe tetap, Maxwell mengusulkan untuk menggunakan persamaan khusus. Ini menjelaskan terjadinya EMF dalam sistem tersebut. Prinsip utama hukum Faraday-Maxwell adalah kenyataan bahwa medan bolak-balik menimbulkan medan listrik pada ruang di sekitarnya. Ini bertindak sebagai faktor yang memicu munculnya arus induksi dalam sistem tetap. Pergerakan vektor (E) sepanjang kontur stasioner (L) adalah EMF:
Ketika ada arus nilai variabel Hukum Faraday diterjemahkan ke dalam persamaan Maxwell. Selain itu, mereka dapat direpresentasikan sebagai bentuk diferensial, dan dalam bentuk integral.
Bekerja di bidang elektrolisis
Saat menggunakan hukum Faraday, pola yang ada selama elektrolisis dijelaskan. Proses ini melibatkan transformasi zat dengan berbagai macam karakteristik yang berbeda. Hal ini terjadi ketika listrik bergerak melalui elektrolit.
Pola-pola ini dibuktikan oleh M. Faraday pada tahun 1834. Pernyataan pertama menyatakan bahwa massa zat yang terbentuk pada elektroda berubah sesuai dengan muatan yang dipindahkan melalui elektrolit.
Pernyataan kedua menyatakan bahwa persamaan komponen-komponen yang mempunyai sifat berbeda adalah proporsional setara kimia komponen-komponen ini.
Kedua pernyataan yang disajikan digabungkan menjadi gabungan hukum Faraday. Oleh karena itu, bilangan Faraday akan sama dengan listrik yang mampu melepaskan 1 mol suatu zat dalam elektrolit. Itu dihitung per unit valensi. Dengan menggunakan rumus gabungan itulah muatan elektron dihitung pada tahun 1874.
Hukum elektrolisis yang ditetapkan oleh Faraday diuji di arti yang berbeda arus, suhu, tekanan, serta pelepasan dua atau lebih zat secara bersamaan. Elektrolisis juga dilakukan dalam lelehan dan pelarut yang berbeda. Konsentrasi elektrolit juga berbeda antar percobaan. Pada saat yang sama, kadang-kadang ditemukan sedikit penyimpangan dari hukum Faraday. Mereka dijelaskan konduktivitas elektronik elektrolit, yang ditentukan bersama dengan konduktivitas ionik.
Penemuan yang dilakukan oleh fisikawan Inggris M. Faraday memungkinkan untuk menggambarkan banyak fenomena. Hukum-hukumnya adalah dasar elektrodinamika modern. Berbagai peralatan modern beroperasi berdasarkan prinsip ini.
Paling hukum utama teknik elektro - hukum Ohm
hukum Joule-Lenz
hukum Joule-Lenz
Dalam rumusan verbal bunyinya seperti ini - Daya kalor yang dilepaskan per satuan volume suatu medium selama aliran arus listrik sebanding dengan hasil kali rapat arus listrik dan nilai medan listrik
Di mana w- daya pembangkitan panas per satuan volume, - rapat arus listrik, - kuat medan listrik, σ
- konduktivitas medium.
Hukum tersebut juga dapat dirumuskan dalam bentuk integral untuk kasus aliran arus pada kabel tipis:
Jumlah panas yang dilepaskan per satuan waktu pada bagian rangkaian yang ditinjau sebanding dengan produk kuadrat arus pada bagian tersebut dan resistansi bagian tersebut.
DI DALAM bentuk matematika hukum ini terlihat seperti:
Di mana dQ- jumlah panas yang dilepaskan selama periode waktu tertentu ya, aku- kekuatan saat ini, R- perlawanan, Q- jumlah total panas yang dilepaskan selama periode waktu dari t1 ke t2.
Jika konstanta gaya arus dan hambatan:
hukum Kirchhoff
Hukum Kirchhoff (atau aturan Kirchhoff) adalah hubungan yang berlaku antara arus dan tegangan di bagian mana pun. rangkaian listrik. Aturan Kirchhoff memungkinkan Anda menghitung rangkaian listrik arus searah dan kuasi-stasioner. Memiliki arti khusus dalam teknik kelistrikan karena keserbagunaannya, karena cocok untuk menyelesaikan masalah kelistrikan apa pun. Penerapan aturan Kirchhoff pada rangkaian memungkinkan kita memperoleh sistem persamaan linier relatif terhadap arus, dan karenanya, temukan nilai arus di semua cabang rangkaian.
Untuk merumuskan hukum Kirchhoff, node dibedakan dalam rangkaian listrik - titik sambungan tiga atau lebih konduktor dan kontur - jalur konduktor tertutup. Selain itu, setiap konduktor dapat dimasukkan ke dalam beberapa rangkaian.
Dalam hal ini peraturan perundang-undangannya dirumuskan sebagai berikut.
Hukum Pertama(ZTK, Hukum Arus Kirchhoff) menyatakan bahwa jumlah aljabar arus di setiap simpul rangkaian apa pun adalah nol (nilai arus yang mengalir diambil dengan tanda berlawanan):
Dengan kata lain, semakin banyak arus yang mengalir ke sebuah node, maka semakin banyak arus yang keluar dari node tersebut. Hukum ini mengikuti hukum kekekalan muatan. Jika rantai berisi P node, maka dijelaskan hal − 1 persamaan saat ini. Hukum ini mungkin berlaku untuk orang lain juga. fenomena fisik(misalnya pipa air), dimana terdapat hukum kekekalan besaran dan aliran besaran tersebut.
Hukum Kedua(ZNK, Hukum Stres Kirchhoff) menyatakan bahwa jumlah aljabar tegangan jatuh sepanjang kontur tertutup rangkaian sama dengan jumlah aljabar ggl yang bekerja sepanjang kontur yang sama. Jika tidak ada EMF pada rangkaian, maka penurunan tegangan total adalah nol:
Untuk tegangan konstan: 
untuk tegangan bolak-balik:
Dengan kata lain, ketika melewati rangkaian sepanjang rangkaian, potensial, berubah, kembali ke nilai aslinya. Apabila suatu rangkaian mempunyai cabang-cabang yang pada cabang-cabang tersebut terdapat sumber arus sebesar , maka digambarkan dengan persamaan tegangan. Kasus khusus dari aturan kedua untuk rangkaian yang terdiri dari satu rangkaian adalah hukum Ohm untuk rangkaian ini.
Hukum Kirchhoff berlaku untuk rangkaian linier dan nonlinier untuk semua jenis perubahan arus dan tegangan seiring waktu.
Pada gambar ini, untuk setiap konduktor, arus yang mengalir melaluinya (huruf “I”) dan tegangan antara node yang dihubungkannya (huruf “U”) ditunjukkan.
Misalnya, untuk rangkaian yang ditunjukkan pada gambar, sesuai dengan hukum pertama, hubungan berikut dipenuhi:
Perhatikan bahwa untuk setiap node harus dipilih arah positif, misalnya di sini, arus yang mengalir ke suatu node dianggap positif dan arus yang keluar dianggap negatif.
Sesuai dengan hukum kedua, hubungan berikut ini berlaku:
Jika arah arus bertepatan dengan arah melewati rangkaian (yang dipilih secara sewenang-wenang), penurunan tegangan dianggap positif, jika tidak - negatif.
Hukum Kirchhoff, yang ditulis untuk simpul dan rangkaian suatu rangkaian, menyediakan sistem persamaan linier lengkap yang memungkinkan seseorang menemukan semua arus dan tegangan.
Ada pendapat yang menyatakan bahwa “Hukum Kirchhoff” harus disebut “Peraturan Kirchhoff”, karena tidak mencerminkan entitas fundamental alam (dan bukan merupakan generalisasi jumlah besar data percobaan), namun dapat disimpulkan dari ketentuan dan asumsi lain.
HUKUM ARUS TOTAL
HUKUM ARUS TOTAL salah satu hukum dasar medan elektromagnetik. Menetapkan hubungan antara gaya magnet dan jumlah arus yang melewati suatu permukaan. Arus total dipahami sebagai jumlah aljabar arus yang menembus permukaan yang dibatasi oleh loop tertutup.
Gaya magnetisasi sepanjang suatu kontur sama dengan arus total yang melewati permukaan yang dibatasi oleh kontur tersebut. DI DALAM kasus umum Kekuatan medan di berbagai bagian garis magnet mungkin berbeda arti yang berbeda, dan gaya magnetisasi akan sama dengan jumlah gaya magnetisasi setiap garis.
hukum Joule-Lenz
hukum Joule-Lenz - hukum fisika memberi hitungan aksi termal arus listrik. Ditemukan pada tahun 1840 secara independen oleh James Joule dan Emilius Lenz.
Dalam rumusan verbal bunyinya seperti ini:
Daya kalor yang dilepaskan per satuan volume suatu medium selama aliran arus listrik sebanding dengan hasil kali rapat arus listrik dan nilai medan listrik
Secara matematis dapat dinyatakan dalam bentuk berikut:
Di mana w- daya pelepasan panas per satuan volume, - rapat arus listrik, - kuat medan listrik, - konduktivitas medium.
HUKUM INDUKSI ELEKTROMAGNETIK, Hukum Faraday adalah hukum yang menetapkan hubungan antara magnet dan fenomena kelistrikan. EMF induksi elektromagnetik dalam suatu rangkaian secara numerik sama dan berlawanan tanda dengan laju perubahan fluks magnet melalui permukaan yang dibatasi oleh rangkaian ini. Besarnya medan EMF bergantung pada laju perubahan fluks magnet.
HUKUM FARADAY(dinamai menurut fisikawan Inggris M. Faraday (1791-1867)) – hukum dasar elektrolisis.
Terdapat hubungan antara jumlah listrik yang melewati larutan penghantar listrik (elektrolit) dan jumlah zat yang dilepaskan pada elektroda.
Ketika melewati elektrolit DC SAYA dalam satu detik q = Itu, m = kIt.
Hukum kedua Faraday: persamaan elektrokimia suatu unsur berbanding lurus dengan persamaan kimianya.
Aturan gimlet
aturan Gimlet(juga, aturan tangan kanan) - aturan mnemonik untuk menentukan arah suatu vektor kecepatan sudut, mencirikan kecepatan rotasi benda, serta vektor induksi magnet B atau untuk menentukan arah arus induksi.
Aturan tangan kanan
Aturan tangan kanan
Aturan gimlet: "Jika arahnya gerak maju gimlet (sekrup) berimpit dengan arah arus pada penghantar, kemudian arah putaran gagang gimlet berimpit dengan arah vektor induksi magnet.”
Menentukan arah arus induksi pada suatu penghantar yang bergerak dalam medan magnet
Aturan tangan kanan: “Jika telapak tangan kanan diposisikan sedemikian rupa sehingga mencakup saluran listrik medan magnet, dan bengkok ibu jari ikuti gerakan konduktor, maka empat jari yang terulur akan menunjukkan arah arus induksi.”
Untuk solenoid rumusannya sebagai berikut: “Jika solenoid digenggam dengan telapak tangan kanan sehingga keempat jari diarahkan sepanjang arus secara bergantian, maka ibu jari yang direntangkan akan menunjukkan arah garis-garis medan magnet di dalam solenoid.”
Aturan tangan kiri
Aturan tangan kiri
Jika muatan bergerak dan magnet diam, maka aturan tangan kiri berlaku untuk menentukan gaya: “Jika tangan kiri diposisikan sedemikian rupa sehingga garis-garis medan magnet masuk ke telapak tangan tegak lurus, dan empat jari diarahkan sepanjang arus (sepanjang pergerakan partikel bermuatan positif atau melawan pergerakan partikel bermuatan negatif), maka ibu jari yang diatur pada sudut 90° akan menunjukkan arah kekuatan akting Lorentz atau Ampere."
