Rafsegulspan

Rafsegulspan verður þegar segulflæði gegnum rafrás breytist. Það skiptir ekki aðeins máli hversu sterkt segulsviðið er heldur hversu mikið svið fer í gegnum valinn flöt og hversu hratt það magn breytist með tíma.

Segulflæði mælir svið gegnum flöt

nBA
Segulflæði er innfeldi segulsviðs og flatavigurs: aðeins sá hluti B sem fer í gegnum flötinn leggur til flæðisins.

Fyrir einsleitt svið og flatan flöt er ΦB = BA cos θ, þar sem θ er hornið milli B⃗ og þvervigurs flatarins. SI-einingin er weber, Wb = T m².

Ef sviðið liggur í fletinum er θ = 90° og flæðið núll þótt B sé ekki núll. Flæðið getur breyst ef B, flatarmálið A eða stefnan θ breytist.

Lögmál Faradays tengir flæðibreytingu við spanrafspennu

Fyrir spólu með N vafninga er ℰ = −N dΦB/dt. Stærð spanrafspennunnar ræðst af hraða flæðibreytingarinnar, ekki aðeins af flæðinu sjálfu.

Stórt en stöðugt flæði gefur enga viðvarandi spanrafspennu. Lítil en hröð breyting getur gefið stærra ℰ en stór og hæg breyting.

Spanrafspenna frá flæðibreytingu

Lögmál Lenz gefur stefnuna og verndar orkuvarðveislu

NIindΔΦ
Lögmál Lenz velur straumstefnu sem vinnur gegn breytingu segulflæðis; stefnureglan er birting orkuvarðveislu.

Mínusmerkið í lögmáli Faradays er lögmál Lenz: spanstraumurinn myndar svið sem vinnur gegn breytingunni á flæði sem orsakaði hann. Það þarf ekki alltaf að vera gagnstætt ytra sviðinu sjálfu.

Þegar norðurpóll seguls nálgast spólu eykst flæðið. Spólan myndar svið sem vinnur gegn aukningunni, þannig að nærhlið spólunnar hegðar sér sem norðurpóll og hrindir aðkomandi norðurpól frá sér.

Hreyfispennukraftur er sama eðlisfræði fyrir hreyfanlegan leiðara

Leiðarastöng af lengd L sem hreyfist með hraða v hornrétt á bæði B og stöngina getur fengið ℰ = BLv. Hleðslur í stönginni finna qv × B og skiljast að þar til rafkraftur jafnar segulkraftinn.

Hreyfispennukraftur og flæðireglan eru samræmdar lýsingar, ekki tvö óskyld lögmál. Í almennum kerfum þarf að taka rétt tillit til bæði hreyfanlegra rása og tímabreytilegra sviða.

Áreiðanleg aðferð við dæmi

Veldu fyrst flöt og stefnu þvervigurs. Skrifaðu ΦB = ∫B⃗·dA⃗, finndu hvað raunverulega breytist og reiknaðu dΦ/dt. Notaðu svo lögmál Lenz til að ákvarða stefnu.

Þessi röð skilur stærðarreikning frá stefnurökum og dregur úr formerkjavillum. Einingapróf hjálpar líka: T m² = Wb og Wb s⁻¹ = V.

Leyst dæmi

1. Flæði gegnum lykkju

Lykkja með flatarmál 0,020 m² hefur þvervigur samsíða einsleitu 0,30 T sviði. Finndu flæðið.

Lausn

θ = 0°, þannig að Φ = BA = (0,30)(0,020) = 6,0 × 10⁻³ Wb.

2. Spanrafspenna í spólu

Spóla hefur 200 vafninga. Flæði á hvern vafning breytist um 3,0 mWb á 0,050 s. Finndu |ℰ|.

Lausn

|ℰ| = N|ΔΦ|/Δt = 200(3,0 × 10⁻³)/0,050 = 12 V.

3. Lögmál Lenz fyrir aðkomandi segul

Norðurpóll stangseguls færist að spólu. Hvaða póll verður á nærhlið spólunnar meðan segullinn nálgast?

Lausn

Nærhliðin verður norðurpóll. Spansegulsviðið vinnur gegn aukningu flæðisins og hrindir því aðkomandi norðurpólnum frá sér.