Denne vejledning forklarer begrebet induktiv EMF, og hvornår det forekommer. Vi vil også se på induktans som en nøgleparameter for forekomsten af magnetisk flux, når der opstår et elektrisk felt i en leder.
Elektromagnetisk induktion er generering af elektrisk strøm ved hjælp af magnetfelter, der ændrer sig over tid. Takket være Faradays og Lenz' opdagelser blev regelmæssigheder formuleret i love, som indførte symmetri i forståelsen af elektromagnetiske strømme. Maxwells teori samlede viden om elektrisk strøm og magnetiske strømme. Gennem Hertz' opdagelser fik menneskeheden kendskab til telekommunikation.
Indhold
Magnetisk flux
Der opstår et elektromagnetisk felt omkring en leder med en elektrisk strøm, men parallelt hermed opstår også det modsatte fænomen, elektromagnetisk induktion. Tag den magnetiske flux som eksempel: Hvis en lederramme placeres i et elektrisk felt med induktion og bevæges fra top til bund langs de magnetiske kraftlinjer eller fra højre til venstre vinkelret på dem, vil den magnetiske flux gennem rammen være en konstant værdi.
Hvis rammen roterer rundt om sin akse, vil den magnetiske flux efter et stykke tid ændre sig med en vis mængde. Dette vil skabe en EMF i rammen og en elektrisk strøm, som kaldes induktionsstrøm.
Induktiv EMF
Lad os forstå begrebet induktiv EMF i detaljer. Når en leder er placeret i et magnetfelt og bevæger sig med feltlinjerne krydsende, opstår der en elektromotorisk kraft kaldet induktiv EMF i lederen. Det sker også, hvis lederen forbliver stationær, mens magnetfeltet bevæger sig og skærer feltlinjerne med lederen.
Når en leder, hvor der genereres EMF, kortsluttes til et eksternt kredsløb, begynder en induktiv strøm at løbe gennem kredsløbet på grund af tilstedeværelsen af denne EMF. Elektromagnetisk induktion omfatter fænomenet induktion af EMF i en leder i det øjeblik, den krydses af magnetfeltlinjer.
Elektromagnetisk induktion er den omvendte proces af omdannelsen af mekanisk energi til elektrisk strøm. Dette begreb og dets love anvendes i vid udstrækning inden for elektroteknik, og de fleste elektriske maskiner er baseret på dette fænomen.
Faraday og Lenz
Faradays og Lenz' love repræsenterer lovene om elektromagnetisk induktion.
Faraday afslørede, at magnetiske virkninger opstår som følge af ændringen i den magnetiske flux over tid. I det øjeblik en leder gennemstrømmes af en magnetisk vekselstrøm, opstår der en elektromotorisk kraft i lederen, hvilket resulterer i en elektrisk strøm. Både en permanent magnet og en elektromagnet kan generere strøm.
Forskerne fandt ud af, at strømstyrken øges, når antallet af strømledninger, der krydser kredsløbet, ændrer sig hurtigt. EMF ved elektromagnetisk induktion er i direkte forbindelse med den magnetiske flux.
I henhold til Faradays lov er formlen for elektromagnetisk induktion EMF defineret som følger:
E = - dF/dt.
Minustegnet angiver forholdet mellem polariteten af den inducerede EMF, fluxens retning og den skiftende hastighed.
I henhold til Lenz' lov er det muligt at karakterisere den elektromotoriske kraft som en funktion af dens retning. Enhver ændring i den magnetiske flux i spolen resulterer i en EMF af induktion, med en stigende EMF, når ændringen er hurtig.
Hvis en spole med induktions-EMF er kortsluttet til et eksternt kredsløb, løber der en induktionsstrøm gennem den, hvilket skaber et magnetfelt omkring lederen og giver spolen egenskaber som en solenoide. Som et resultat heraf dannes der et eget magnetfelt omkring spolen.
E.H. Lenz opstillede loven, hvorefter induktionsstrømmens retning i spolen og induktionens EMF bestemmes. Loven siger, at den induktive EMF i spolen danner en strøm i spolen i den retning, hvor den givne magnetiske flux i spolen gør det muligt at undgå en ændring i den fremmede magnetiske flux.
Lenz' lov gælder for alle situationer med elektrisk strøminduktion i ledere, uanset deres konfiguration eller metode til ændring af det ydre magnetfelt.
Bevægelsen af en ledning i et magnetfelt
Værdien af den inducerede EMF bestemmes i forhold til længden af den leder, som feltlinjerne gennemløber. Med flere kraftlinjer stiger værdien af den inducerede EMF. Efterhånden som magnetfeltet og induktionen øges, opstår der en større EMF i lederen. Værdien af EMF i en leder, der bevæger sig i et magnetfelt, er således direkte relateret til magnetfeltets induktion, lederens længde og dens hastighed.
Denne afhængighed afspejles i formlen E = Blv, hvor E er EMF af induktion; B er værdien af magnetisk induktion; I er lederens længde; v er hastigheden af dens bevægelse.
Bemærk, at i en leder, der bevæger sig i et magnetfelt, opstår EMF-induktion kun, når den krydser magnetfeltets kraftlinjer. Hvis lederen bevæger sig langs feltlinjerne, induceres der ingen EMF. Derfor gælder formlen kun, når lederens bevægelse er vinkelret på kraftlinjerne.
Retningen af den inducerede EMF og den elektriske strøm i lederen bestemmes af bevægelsesretningen af selve lederen. Der er udviklet en højrehåndsregel til at afsløre retningen. Hvis du holder håndfladen af din højre hånd, så feltlinjerne går i dens retning, og tommelfingeren peger i retning af lederen, viser de resterende fire fingre retningen af den inducerede EMF og retningen af den elektriske strøm i lederen.
Roterende spole
En elektrisk strømgenerator er baseret på rotation af en spole i en magnetisk strøm, hvor der er et vist antal spoler. EMF induceres altid i et elektrisk kredsløb, når det krydses af en magnetisk flux, baseret på formlen magnetisk flux F = B x S x cos α (magnetisk induktion ganget med det areal, som den magnetiske flux passerer igennem, og cosinus af vinklen mellem retningsvektoren og den vinkel, der er vinkelret på linjeplanet).
I henhold til formlen påvirkes F af ændringer i situationer:
- en ændring i den magnetiske flux ændrer retningsvektoren;
- det område, der er omsluttet af kredsløbet, ændres;
- vinklen ændres.
Det er tilladt at inducere en EMF, når magneten er stationær eller strømmen er uændret, men blot ved at dreje spolen rundt om sin akse i magnetfeltet. I dette tilfælde ændres den magnetiske flux, når vinklen ændres. Spolen krydser de magnetiske fluxlinjer, mens den roterer, hvilket resulterer i en EMF. Ved ensartet rotation sker der en periodisk ændring i den magnetiske flux. Også antallet af kraftlinjer, der krydses hvert sekund, bliver lige store i lige store tidsintervaller.
I vekselstrømsgeneratorer forbliver spolen i praksis stationær, og elektromagneten roterer omkring den.
Selvinducerende EMF
Når en elektrisk vekselstrøm passerer gennem en spole, opstår der et vekselmagnetisk felt, der er karakteriseret ved en skiftende magnetisk flux, som inducerer en EMF. Dette fænomen kaldes selvinduktion.
Da den magnetiske flux er proportional med intensiteten af den elektriske strøm, er formlen for selvinducerende EMF følgende:
F = L x I, hvor L er induktansen, som måles i Gn. Dens værdi bestemmes af antallet af vindinger pr. længdeenhed og størrelsen af deres tværsnitsareal.
Gensidig induktion
Når to spoler er placeret side om side, udviser de en EMF af gensidig induktion, som er bestemt af de to kredsløbs konfiguration og deres indbyrdes orientering. Når afstanden mellem kredsløbene øges, falder værdien af den gensidige induktans, da der er et fald i den magnetiske flux, som de to spoler deler.
Lad os se nærmere på, hvordan gensidig induktion finder sted. Der er to spoler, på den ene spole med N1 vindinger løber en strøm I1, som skaber en magnetisk strøm, der går gennem den anden spole med N2 vindinger.
Værdien af den anden spoles gensidige induktans i forhold til den første spole:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Magnetisk fluxværdi:
F21 = (M21/N2) x I1.
Den inducerede EMF beregnes ved hjælp af formlen:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
I den første spole er værdien af den inducerede EMF:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Det er vigtigt at bemærke, at den elektromotoriske kraft, der induceres ved gensidig induktion i en af spolerne, under alle omstændigheder er direkte proportional med ændringen i den elektriske strøm i den anden spole.
Den gensidige induktans antages derefter at være lig med:
M12 = M21 = M.
Som følge heraf er E1 = - M x dI2/dt og E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), hvor K er koblingsfaktoren mellem de to værdier af induktans.
Interinduktion anvendes i vid udstrækning i transformatorer, som giver mulighed for at ændre værdierne af en elektrisk vekselstrøm. Enheden består af et par spoler, der er viklet på en fælles kerne. Strømmen i den første spole danner en varierende magnetisk flux i den magnetiske kerne og strømmen i den anden spole. Med færre vindinger i den første spole end i den anden spole stiger spændingen, og tilsvarende falder spændingen med flere vindinger i den første spole.
Ud over generering og omdannelse af elektrisk energi anvendes fænomenet magnetisk induktion også i andre apparater. For eksempel i magnetlevitationstog, som bevæger sig uden direkte kontakt med strømmen i skinnerne, men et par centimeter højere på grund af elektromagnetisk afstødning.
Relaterede artikler:
