W materiale zrozumiemy pojęcie indukcji pola elektromagnetycznego w sytuacjach jego wystąpienia. Uważamy również, że indukcyjność jest kluczowym parametrem występowania strumienia magnetycznego, gdy w przewodniku pojawia się pole elektryczne.
Indukcja elektromagnetyczna to wytwarzanie prądu elektrycznego przez zmienne w czasie pola magnetyczne. Dzięki odkryciom Faradaya i Lenza wzorce zostały sformułowane w prawa, które wprowadziły symetrię do zrozumienia przepływów elektromagnetycznych. Teoria Maxwella połączyła wiedzę o prądzie elektrycznym i strumieniach magnetycznych. Dzięki odkryciu Hertza ludzkość dowiedziała się o telekomunikacji.
Zawartość
strumień magnetyczny
Wokół przewodnika z prądem elektrycznym pojawia się pole elektromagnetyczne, jednak równolegle występuje również zjawisko odwrotne - indukcja elektromagnetyczna.Rozważmy przykład strumienia magnetycznego: jeśli rama przewodnika zostanie umieszczona w polu elektrycznym z indukcją i przesunięta od góry do dołu wzdłuż linii pola magnetycznego lub w prawo lub w lewo prostopadle do nich, wówczas strumień magnetyczny przechodzący przez ramę będzie stały.
Kiedy rama obraca się wokół własnej osi, po chwili strumień magnetyczny zmieni się o określoną wartość. W rezultacie w ramce pojawia się pole elektromagnetyczne indukcji i pojawia się prąd elektryczny, który nazywa się indukcją.
Indukcja EMF
Przyjrzyjmy się szczegółowo, czym jest pojęcie indukcji pola elektromagnetycznego. Kiedy przewodnik jest umieszczony w polu magnetycznym i porusza się wraz z przecięciem linii pola, w przewodniku pojawia się siła elektromotoryczna zwana indukcyjną siłą elektromotoryczną. Występuje również wtedy, gdy przewodnik pozostaje nieruchomy, a pole magnetyczne porusza się i przecina z przewodnikami sił.
Gdy przewodnik, w którym występuje emf, zamyka się w obwodzie zewnętrznym, z powodu obecności tego emf przez obwód zaczyna płynąć prąd indukcyjny. Indukcja elektromagnetyczna obejmuje zjawisko indukcji pola elektromagnetycznego w przewodniku w momencie przecięcia go przez linie pola magnetycznego.
Indukcja elektromagnetyczna to odwrotny proces przekształcania energii mechanicznej w prąd elektryczny. Ta koncepcja i jej prawa są szeroko stosowane w elektrotechnice, większość maszyn elektrycznych opiera się na tym zjawisku.
Prawa Faradaya i Lenza
Prawa Faradaya i Lenza odzwierciedlają wzorce występowania indukcji elektromagnetycznej.
Faraday odkrył, że efekty magnetyczne pojawiają się w wyniku zmian strumienia magnetycznego w czasie.W momencie przecięcia przewodnika z przemiennym prądem magnetycznym powstaje w nim siła elektromotoryczna, która prowadzi do pojawienia się prądu elektrycznego. Zarówno magnes trwały, jak i elektromagnes mogą generować prąd.
Naukowiec ustalił, że natężenie prądu wzrasta wraz z szybką zmianą liczby linii siły przecinających obwód. Oznacza to, że pole elektromagnetyczne indukcji elektromagnetycznej jest wprost proporcjonalne do prędkości strumienia magnetycznego.
Zgodnie z prawem Faradaya formuły indukcyjne EMF są zdefiniowane w następujący sposób:
E \u003d - dF / dt.
Znak minus wskazuje na związek między biegunowością indukowanego pola elektromagnetycznego, kierunkiem przepływu i zmieniającą się prędkością.
Zgodnie z prawem Lenza można scharakteryzować siłę elektromotoryczną w zależności od jej kierunku. Każda zmiana strumienia magnetycznego w cewce prowadzi do pojawienia się pola indukcji, a wraz z szybką zmianą obserwuje się wzrost pola elektromagnetycznego.
Jeżeli cewka, w której występuje sem indukcji, ma zwarcie z obwodem zewnętrznym, to przepływa przez nią prąd indukcyjny, w wyniku czego wokół przewodnika pojawia się pole magnetyczne i cewka nabiera właściwości elektromagnesu . W rezultacie wokół cewki powstaje pole magnetyczne.
E.Kh. Lenz ustalił wzór, zgodnie z którym określany jest kierunek prądu indukcyjnego w cewce i indukcyjna siła elektromotoryczna. Prawo mówi, że indukcyjna siła elektromotoryczna w cewce, gdy zmienia się strumień magnetyczny, tworzy w cewce prąd kierunkowy, w którym dany strumień magnetyczny cewki pozwala uniknąć zmian zewnętrznego strumienia magnetycznego.
Prawo Lenza dotyczy wszystkich sytuacji indukcji prądu elektrycznego w przewodnikach, niezależnie od ich konfiguracji i sposobu zmiany zewnętrznego pola magnetycznego.
Ruch drutu w polu magnetycznym
Wartość indukowanego pola elektromagnetycznego jest określana w zależności od długości przewodnika, przez który przecinają się linie pola sił. Przy większej liczbie linii pola wartość indukowanego emf wzrasta. Wraz ze wzrostem pola magnetycznego i indukcji w przewodniku występuje większa wartość pola elektromagnetycznego. Zatem wartość SEM indukcji w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym jest bezpośrednio zależna od indukcji pola magnetycznego, długości przewodnika i prędkości jego ruchu.
Ta zależność jest odzwierciedlona we wzorze E = Blv, gdzie E jest indukcyjnym emf; B jest wartością indukcji magnetycznej; ja jest długością przewodnika; v to prędkość jego ruchu.
Zauważ, że w przewodniku, który porusza się w polu magnetycznym, indukcyjne pole elektromagnetyczne pojawia się tylko wtedy, gdy przecina linie pola magnetycznego. Jeśli przewodnik porusza się wzdłuż linii siły, nie indukuje się pola elektromagnetycznego. Z tego powodu wzór ma zastosowanie tylko w przypadkach, gdy ruch przewodnika jest skierowany prostopadle do linii sił.
Kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego i prądu elektrycznego w przewodniku jest określony przez kierunek ruchu samego przewodnika. Aby określić kierunek, opracowano zasadę prawej ręki. Jeśli trzymasz dłoń prawej ręki tak, aby linie pola wchodziły w jej kierunku, a kciuk wskazuje kierunek ruchu przewodnika, wówczas pozostałe cztery palce wskazują kierunek indukowanego emf i kierunek prądu elektrycznego w dyrygencie.
Cewka obrotowa
Działanie generatora prądu elektrycznego opiera się na obrocie cewki w strumieniu magnetycznym, w którym występuje określona liczba zwojów. EMF jest indukowane w obwodzie elektrycznym zawsze, gdy przechodzi przez niego strumień magnetyczny, w oparciu o wzór strumienia magnetycznego Ф \u003d B x S x cos α (indukcja magnetyczna pomnożona przez powierzchnię, przez którą przepływa strumień magnetyczny, i cosinus kąta utworzonego przez wektor kierunkowy i prostopadłe linie płaszczyzny).
Zgodnie ze wzorem na F wpływają zmiany sytuacji:
- gdy zmienia się strumień magnetyczny, zmienia się wektor kierunku;
- obszar objęty zmianą konturu;
- zmiany kąta.
Dozwolone jest indukowanie pola elektromagnetycznego za pomocą magnesu stacjonarnego lub stałego prądu, ale po prostu wtedy, gdy cewka obraca się wokół własnej osi w polu magnetycznym. W tym przypadku strumień magnetyczny zmienia się wraz ze zmianą kąta. Cewka w trakcie obrotu przecina linie siły strumienia magnetycznego, w wyniku czego pojawia się pole elektromagnetyczne. Przy równomiernym obrocie następuje okresowa zmiana strumienia magnetycznego. Również liczba linii pola, które przecinają się co sekundę, staje się równa wartościom w regularnych odstępach czasu.
W praktyce w generatorach prądu przemiennego cewka pozostaje nieruchoma, a elektromagnes obraca się wokół niej.
Samoindukcja EMF
Kiedy zmienny prąd elektryczny przepływa przez cewkę, generowane jest zmienne pole magnetyczne, które charakteryzuje się zmiennym strumieniem magnetycznym, który indukuje pole elektromagnetyczne. Zjawisko to nazywa się samoindukcją.
Ze względu na to, że strumień magnetyczny jest proporcjonalny do natężenia prądu elektrycznego, wzór na samoindukcję EMF wygląda następująco:
Ф = L x I, gdzie L jest indukcyjnością mierzoną w H.Jego wartość zależy od liczby zwojów na jednostkę długości i wartości ich przekroju.
Indukcja wzajemna
Gdy dwie cewki są umieszczone obok siebie, obserwują pole elektromagnetyczne wzajemnej indukcji, które jest określone przez konfigurację dwóch obwodów i ich wzajemną orientację. Wraz ze wzrostem separacji obwodów maleje wartość wzajemnej indukcyjności, ponieważ zmniejsza się sumaryczny strumień magnetyczny dla dwóch cewek.
Rozważmy szczegółowo proces powstawania wzajemnej indukcji. Cewki są dwie, prąd I1 płynie przez przewód jednej o zwojach N1, który wytwarza strumień magnetyczny i przechodzi przez drugą cewkę o liczbie zwojów N2.
Wartość indukcyjności wzajemnej drugiej cewki w stosunku do pierwszej:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Wartość strumienia magnetycznego:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indukowane emf oblicza się według wzoru:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
W pierwszej cewce wartość indukowanego emf:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Należy zauważyć, że siła elektromotoryczna wywołana wzajemną indukcją w jednej z cewek jest w każdym przypadku wprost proporcjonalna do zmiany prądu elektrycznego w drugiej cewce.
Wówczas indukcyjność wzajemną uważa się za równą:
M12 = M21 = M.
W konsekwencji E1 = - M x dI2/dt i E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), gdzie K jest współczynnikiem sprzężenia między dwiema wartościami indukcyjności.
Indukcyjność wzajemna jest szeroko stosowana w transformatorach, które umożliwiają zmianę wartości przemiennego prądu elektrycznego. Urządzenie to para cewek nawiniętych na wspólnym rdzeniu. Prąd w pierwszej cewce tworzy zmienny strumień magnetyczny w obwodzie magnetycznym i prąd w drugiej cewce.Przy mniejszej liczbie zwojów w pierwszej cewce niż w drugiej napięcie wzrasta i odpowiednio przy większej liczbie zwojów w pierwszym uzwojeniu napięcie spada.
Oprócz generowania i przekształcania energii elektrycznej, zjawisko indukcji magnetycznej jest wykorzystywane w innych urządzeniach. Na przykład w pociągach lewitacji magnetycznej poruszających się bez bezpośredniego kontaktu z prądem w szynach, ale kilka centymetrów wyżej z powodu odpychania elektromagnetycznego.
Podobne artykuły:
