Tento výukový program vysvětluje pojem indukční EMP a případy, kdy k němu dochází. Budeme se také zabývat indukčností jako klíčovým parametrem pro vznik magnetického toku, když se ve vodiči objeví elektrické pole.
Elektromagnetická indukce je generování elektrického proudu magnetickým polem, které se mění v čase. Díky Faradayovým a Lenzovým objevům byly formulovány zákonitosti, které do chápání elektromagnetických toků vnesly symetrii. Maxwellova teorie spojila poznatky o elektrickém proudu a magnetickém toku. Díky Hertzovým objevům se lidstvo dozvědělo o telekomunikacích.
Obsah
Magnetický tok
Kolem vodiče s elektrickým proudem vzniká elektromagnetické pole, ale souběžně s ním dochází i k opačnému jevu, elektromagnetické indukci. Vezměme si jako příklad magnetický tok: pokud je rám s vodičem umístěn v elektrickém poli s indukcí a pohybuje se shora dolů podél magnetických siločar nebo zprava doleva kolmo k nim, pak magnetický tok procházející rámem bude konstantní.
Pokud se rám otáčí kolem své osy, pak se po určité době magnetický tok o určitou hodnotu změní. Tím se v rámu vytvoří elektromagnetické pole a elektrický proud, který se nazývá indukční proud.
Indukční EMF
Pojďme si podrobně vysvětlit pojem indukční EMP. Když je vodič umístěn v magnetickém poli a pohybuje se s křížícími se siločarami pole, vzniká ve vodiči elektromotorická síla zvaná indukční EMF. K tomu dochází také v případě, že vodič zůstává v klidu a magnetické pole se pohybuje a protíná siločáry s vodičem.
Když je vodič, ve kterém vzniká EMP, zkratován s vnějším obvodem, začne obvodem v důsledku přítomnosti tohoto EMP protékat indukční proud. Elektromagnetická indukce zahrnuje jev indukce EMP ve vodiči v okamžiku, kdy jej protínají magnetické siločáry.
Elektromagnetická indukce je inverzní proces přeměny mechanické energie na elektrický proud. Tento pojem a jeho zákony jsou v elektrotechnice hojně využívány a většina elektrických strojů je na tomto jevu založena.
Faraday a Lenz
Faradayův a Lenzův zákon představují zákony elektromagnetické indukce.
Faraday odhalil, že magnetické jevy vznikají v důsledku změny magnetického toku v čase. V okamžiku, kdy vodičem prochází střídavý magnetický proud, vzniká ve vodiči elektromotorická síla, jejímž výsledkem je elektrický proud. Permanentní magnet i elektromagnet mohou generovat proud.
Vědci zjistili, že intenzita proudu se zvyšuje, když se počet elektrických vedení, která protínají obvod, rychle mění. EMF elektromagnetické indukce je v přímé závislosti na magnetickém toku.
Podle Faradayova zákona je vzorec pro elektromagnetickou indukci EMF definován takto:
E = - dF/dt.
Znaménko minus označuje vztah mezi polaritou indukovaného EMP, směrem toku a měnící se rychlostí.
Podle Lenzova zákona je možné charakterizovat elektromotorickou sílu jako funkci jejího směru. Jakákoli změna magnetického toku v cívce vyvolává indukční EMP, přičemž při rychlé změně dochází k nárůstu EMP.
Pokud je cívka s indukčním EMF zkratována s vnějším obvodem, protéká jí indukční proud, který vytváří magnetické pole kolem vodiče a dává cívce vlastnosti solenoidu. V důsledku toho se kolem cívky vytvoří vlastní magnetické pole.
E. H. Lenz stanovil zákon, podle kterého se určuje směr indukčního proudu v cívce a EMF indukce. Zákon říká, že indukční EMF v cívce vytváří v cívce proud ve směru, v němž daný magnetický tok cívky umožňuje zabránit změně cizího magnetického toku.
Lenzův zákon platí pro všechny případy indukce elektrického proudu ve vodičích bez ohledu na jejich uspořádání nebo způsob změny vnějšího magnetického pole.
Pohyb drátu v magnetickém poli
Hodnota indukovaného EMF se určuje podle délky vodiče, kterým prochází siločáry. S větším počtem siločar se hodnota indukovaného EMF zvyšuje. S rostoucím magnetickým polem a indukcí vzniká ve vodiči větší hodnota EMF. Hodnota EMF ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli je tedy v přímé závislosti na indukci magnetického pole, délce vodiče a jeho rychlosti.
Tato závislost se odráží ve vzorci E = Blv, kde E je indukční EMP; B je hodnota magnetické indukce; I je délka vodiče; v je rychlost jeho pohybu.
Všimněte si, že ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli se indukce EMP objevuje pouze tehdy, když protíná siločáry magnetického pole. Pokud se vodič pohybuje podél siločar, neindukuje se žádné EMP. Z tohoto důvodu platí vzorec pouze tehdy, když je pohyb vodiče kolmý na siločáry.
Směr indukovaného EMP a elektrického proudu ve vodiči je dán směrem pohybu samotného vodiče. Pro odhalení směru bylo vyvinuto pravidlo pravé ruky. Pokud držíte dlaň pravé ruky tak, aby siločáry vstupovaly do jejího směru, a palec ukazuje ve směru vodiče, pak ostatní čtyři prsty ukazují směr indukovaného EMP a směr elektrického proudu ve vodiči.
Rotační cívka
Funkce generátoru elektrického proudu je založena na otáčení cívky v magnetickém toku, kde je určitý počet cívek. EMF se v elektrickém obvodu indukuje vždy, když jím prochází magnetický tok, a to podle vzorce magnetický tok F = B x S x cos α (magnetická indukce vynásobená plochou, kterou magnetický tok prochází, a kosinem úhlu, který svírá směrový vektor s kolmicí k rovině vedení).
Podle vzorce je F ovlivněno změnami situací:
- změna magnetického toku mění směrový vektor;
- se změní oblast uzavřená obvodem;
- úhel se změní.
Je přípustné indukovat EMP, když je magnet v klidu nebo když se proud nemění, ale pouze otáčením cívky kolem její osy v magnetickém poli. V tomto případě se magnetický tok mění se změnou úhlu. Cívka při otáčení protíná magnetické indukční čáry, což vede ke vzniku EMP. Při rovnoměrné rotaci dochází k periodické změně magnetického toku. Také počet siločar, které se každou sekundu protnou, se ve stejných časových intervalech vyrovná.
U generátorů střídavého proudu v praxi zůstává cívka v klidu a elektromagnet se kolem ní otáčí.
Samoindukční EMP
Při průchodu střídavého elektrického proudu cívkou vzniká střídavé magnetické pole, které se vyznačuje měnícím se magnetickým tokem, jenž indukuje EMP. Tento jev se nazývá samoindukce.
Protože magnetický tok je úměrný intenzitě elektrického proudu, vzorec pro samoindukční EMF je následující:
F = L x I, kde L je indukčnost, která se měří v Gn. Jeho hodnota je dána počtem závitů na jednotku délky a velikostí jejich průřezu.
Vzájemná indukce
Když jsou dvě cívky umístěny vedle sebe, vykazují EMF vzájemné indukce, která je dána konfigurací obou obvodů a jejich vzájemnou orientací. S rostoucím oddělením obvodů klesá hodnota vzájemné indukčnosti, protože se snižuje magnetický tok společný pro obě cívky.
Podívejme se blíže na to, jak dochází k vzájemné indukci. Jsou zde dvě cívky, jednou s N1 závity protéká proud I1, který vytváří magnetický tok a protéká druhou cívkou s N2 závity.
Hodnota vzájemné indukčnosti druhé cívky ve vztahu k první cívce:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Hodnota magnetického toku:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indukované EMP se vypočítá podle vzorce:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
V první cívce je hodnota indukovaného EMF:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Je důležité si uvědomit, že elektromotorická síla vyvolaná vzájemnou indukcí v jedné z cívek je v každém případě přímo úměrná změně elektrického proudu v druhé cívce.
Vzájemná indukčnost se pak předpokládá rovna:
M12 = M21 = M.
V důsledku toho E1 = - M x dI2/dt a E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), kde K je vazební faktor mezi dvěma hodnotami indukčnosti.
Interindukce se hojně využívá v transformátorech, které umožňují měnit hodnoty střídavého elektrického proudu. Zařízení tvoří dvojice cívek navinutých na společném jádře. Proud v první cívce vytváří proměnlivý magnetický tok v magnetickém jádře a proud v druhé cívce. Při menším počtu závitů v první cívce než v druhé cívce se napětí zvyšuje a naopak při větším počtu závitů v první cívce se napětí snižuje.
Kromě výroby a přeměny elektrické energie se jev magnetické indukce využívá i v dalších zařízeních. Například v magnetických levitačních vlacích, které se pohybují bez přímého kontaktu s proudem v kolejnicích, ale o několik centimetrů výš díky elektromagnetickému odpuzování.
Související články:
