In diesem Lehrgang wird das Konzept der induktiven EMF erklärt und wann sie auftritt. Wir werden auch die Induktivität als Schlüsselparameter für das Auftreten eines magnetischen Flusses betrachten, wenn ein elektrisches Feld in einem Leiter auftritt.
Unter elektromagnetischer Induktion versteht man die Erzeugung von elektrischem Strom durch magnetische Felder, die sich mit der Zeit verändern. Dank der Entdeckungen von Faraday und Lenz wurden Regelmäßigkeiten in Gesetzen formuliert, die eine Symmetrie in das Verständnis der elektromagnetischen Ströme einführten. In der Maxwellschen Theorie wurden die Erkenntnisse über den elektrischen Strom und die magnetischen Flüsse zusammengefasst. Durch die Entdeckungen von Hertz lernte die Menschheit die Telekommunikation kennen.
Inhalt
Magnetischer Fluss
Um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht ein elektromagnetisches Feld, gleichzeitig tritt aber auch das entgegengesetzte Phänomen, die elektromagnetische Induktion, auf. Nehmen wir als Beispiel den magnetischen Fluss: Wenn ein Leiterrahmen in ein elektrisches Feld mit Induktion gestellt wird und von oben nach unten entlang der magnetischen Kraftlinien oder von rechts nach links senkrecht zu ihnen bewegt wird, dann wird der magnetische Fluss durch den Rahmen ein konstanter Wert sein.
Wenn sich der Rahmen um seine Achse dreht, ändert sich der magnetische Fluss nach einiger Zeit um einen bestimmten Betrag. Dies erzeugt eine EMK im Rahmen und einen elektrischen Strom, der als Induktionsstrom bezeichnet wird.
Induktiver EMF
Lassen Sie uns das Konzept der induktiven EMF im Detail verstehen. Wenn sich ein Leiter in einem Magnetfeld befindet und sich bewegt, während sich die Feldlinien kreuzen, entsteht in dem Leiter eine elektromotorische Kraft, die induktive EMK genannt wird. Sie tritt auch auf, wenn der Leiter stationär bleibt und sich das Magnetfeld bewegt und die Feldlinien mit dem Leiter schneidet.
Wenn ein Leiter, in dem eine EMK erzeugt wird, mit einem externen Stromkreis kurzgeschlossen wird, beginnt aufgrund dieser EMK ein induktiver Strom durch den Stromkreis zu fließen. Bei der elektromagnetischen Induktion handelt es sich um das Phänomen der Induktion von EMK in einem Leiter, wenn dieser von magnetischen Feldlinien durchquert wird.
Die elektromagnetische Induktion ist der umgekehrte Prozess der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrischen Strom. Dieses Konzept und seine Gesetze sind in der Elektrotechnik weit verbreitet, und die meisten elektrischen Maschinen beruhen auf diesem Phänomen.
Faraday und Lenz
Die Faraday'schen und Lenz'schen Gesetze sind die Gesetze der elektromagnetischen Induktion.
Faraday zeigte, dass magnetische Effekte durch die Veränderung des magnetischen Flusses im Laufe der Zeit entstehen. In dem Moment, in dem ein Leiter von einem magnetischen Wechselstrom durchflossen wird, entsteht in dem Leiter eine elektromotorische Kraft, die zu einem elektrischen Strom führt. Sowohl ein Permanentmagnet als auch ein Elektromagnet können Strom erzeugen.
Der Wissenschaftler stellte fest, dass die Stromstärke zunimmt, wenn sich die Anzahl der Stromleitungen, die den Stromkreis kreuzen, schnell ändert. Die EMK der elektromagnetischen Induktion steht in direktem Zusammenhang mit dem magnetischen Fluss.
Nach dem Faraday'schen Gesetz ist die Formel für die elektromagnetische Induktion EMF wie folgt definiert:
E = - dF/dt.
Das Minuszeichen zeigt den Zusammenhang zwischen der Polarität der induzierten EMK, der Richtung des Flusses und der sich ändernden Geschwindigkeit an.
Nach der Lenz'schen Regel lässt sich die elektromotorische Kraft in Abhängigkeit von ihrer Richtung charakterisieren. Jede Änderung des magnetischen Flusses in der Spule führt zu einer Induktions-EMK, wobei die EMK zunimmt, wenn die Änderung schnell ist.
Wenn eine Spule mit Induktions-EMK mit einem externen Stromkreis kurzgeschlossen wird, fließt ein Induktionsstrom durch sie, der ein Magnetfeld um den Leiter erzeugt und der Spule die Eigenschaften eines Solenoids verleiht. Dadurch bildet sich um die Spule ein eigenes Magnetfeld.
E.H. Lenz stellte das Gesetz auf, nach dem die Richtung des Induktionsstroms in der Spule und die EMK der Induktion bestimmt werden. Das Gesetz besagt, dass die induktive EMK in der Spule einen Strom in der Spule in der Richtung bildet, in der der gegebene magnetische Fluss der Spule es ermöglicht, eine Änderung des fremden magnetischen Flusses zu vermeiden.
Die Lenzsche Regel gilt für alle Fälle der Induktion von elektrischem Strom in Leitern, unabhängig von deren Konfiguration oder der Art der Änderung des äußeren Magnetfelds.
Die Bewegung eines Drahtes in einem Magnetfeld
Der Wert der induzierten EMK wird in Abhängigkeit von der Länge des von den Feldlinien durchquerten Leiters bestimmt. Je mehr Kraftlinien vorhanden sind, desto höher ist der Wert der induzierten EMK. Wenn das Magnetfeld und die Induktion zunehmen, entsteht im Leiter ein größerer Wert der EMK. Der Wert der EMK in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, steht also in direktem Zusammenhang mit der Magnetfeldinduktion, der Länge des Leiters und seiner Geschwindigkeit.
Diese Abhängigkeit spiegelt sich in der Formel E = Blv wider, wobei E die EMK der Induktion, B der Wert der magnetischen Induktion, I die Länge des Leiters und v die Geschwindigkeit seiner Bewegung ist.
Man beachte, dass in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine EMK-Induktion nur dann auftritt, wenn sie die Kraftlinien des Magnetfelds kreuzt. Wenn sich der Leiter entlang der Feldlinien bewegt, wird keine EMK induziert. Aus diesem Grund gilt die Formel nur, wenn die Bewegung des Leiters senkrecht zu den Kraftlinien verläuft.
Die Richtung der induzierten EMK und des elektrischen Stroms im Leiter wird durch die Bewegungsrichtung des Leiters selbst bestimmt. Es wurde eine Rechtsregel entwickelt, die die Richtung angibt. Wenn Sie die Handfläche Ihrer rechten Hand so halten, dass die Feldlinien in ihre Richtung gehen und Ihr Daumen in Richtung des Leiters zeigt, dann zeigen die übrigen vier Finger die Richtung der induzierten EMK und die Richtung des elektrischen Stroms im Leiter.
Drehende Spule
Die Funktion eines Stromgenerators beruht auf der Drehung einer Spule in einem magnetischen Fluss, wobei eine bestimmte Anzahl von Spulen vorhanden ist. Eine EMK wird in einem Stromkreis immer dann induziert, wenn er von einem magnetischen Fluss durchquert wird, und zwar nach der Formel magnetischer Fluss F = B x S x cos α (magnetische Induktion multipliziert mit der Fläche, die vom magnetischen Fluss durchquert wird, und dem Kosinus des Winkels, der durch den Richtungsvektor und die Senkrechte zur Leitungsebene gebildet wird).
Der Formel zufolge wird F durch Veränderungen der Situation beeinflusst:
- Eine Änderung des magnetischen Flusses verändert den Richtungsvektor;
- ändert sich der vom Stromkreis umschlossene Bereich;
- wird der Winkel geändert.
Es ist zulässig, eine EMK zu induzieren, wenn der Magnet stillsteht oder der Strom unverändert ist, sondern einfach durch Drehen der Spule um ihre Achse innerhalb des Magnetfeldes. In diesem Fall ändert sich der magnetische Fluss, wenn sich der Winkel ändert. Die Spule kreuzt die magnetischen Flusslinien, während sie sich dreht, was zu einer EMK führt. Bei gleichmäßiger Rotation ändert sich der magnetische Fluss periodisch. Auch die Anzahl der Kraftlinien, die jede Sekunde gekreuzt werden, wird in gleichen Zeitabständen gleich.
Bei Wechselstromgeneratoren bleibt in der Praxis die Spule stehen und der Elektromagnet dreht sich um sie.
Selbstinduktion EMF
Wenn ein elektrischer Wechselstrom durch eine Spule fließt, wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das durch einen wechselnden magnetischen Fluss gekennzeichnet ist, der eine EMK induziert. Dieses Phänomen wird als Selbstinduktion bezeichnet.
Da der magnetische Fluss proportional zur Stärke des elektrischen Stroms ist, lautet die Formel für die Selbstinduktions-EMK wie folgt:
F = L x I, wobei L die Induktivität ist, die in Gn gemessen wird. Sein Wert wird durch die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit und die Größe ihrer Querschnittsfläche bestimmt.
Gegenseitige Induktion
Wenn zwei Spulen nebeneinander angeordnet sind, weisen sie eine EMK der gegenseitigen Induktion auf, die durch die Konfiguration der beiden Stromkreise und ihre gegenseitige Ausrichtung bestimmt wird. Mit zunehmendem Abstand der Stromkreise sinkt der Wert der gegenseitigen Induktivität, da der gemeinsame magnetische Fluss der beiden Spulen abnimmt.
Schauen wir uns genauer an, wie die gegenseitige Induktion erfolgt. Es gibt zwei Spulen, auf dem Draht der einen mit N1 Windungen fließt ein Strom I1, der einen magnetischen Fluss erzeugt und durch die zweite Spule mit N2 Windungen fließt.
Der Wert der Gegeninduktivität der zweiten Spule im Verhältnis zur ersten Spule:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Wert des magnetischen Flusses:
F21 = (M21/N2) x I1.
Der induzierte EMF wird nach folgender Formel berechnet:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
In der ersten Spule beträgt der Wert der induzierten EMK:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Es ist wichtig zu beachten, dass die elektromotorische Kraft, die durch die gegenseitige Induktion in einer der Spulen induziert wird, in jedem Fall direkt proportional zur Änderung des elektrischen Stroms in der anderen Spule ist.
Die gegenseitige Induktivität wird dann als gleich groß angenommen:
M12 = M21 = M.
Daraus folgt, dass E1 = - M x dI2/dt und E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), wobei K der Kopplungsfaktor zwischen den beiden Werten der Induktivität ist.
Die Interinduktion wird häufig in Transformatoren verwendet, die die Möglichkeit bieten, die Werte eines elektrischen Wechselstroms zu ändern. Das Gerät besteht aus einem Paar von Spulen, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Der Strom in der ersten Spule bildet einen veränderlichen magnetischen Fluss im Magnetkern und der Strom in der zweiten Spule. Mit weniger Windungen in der ersten Spule als in der zweiten Spule steigt die Spannung, und entsprechend sinkt die Spannung mit mehr Windungen in der ersten Spule.
Neben der Erzeugung und Umwandlung von elektrischer Energie wird das Phänomen der magnetischen Induktion auch in anderen Geräten genutzt. Zum Beispiel in Magnetschwebebahnen, die sich ohne direkten Kontakt mit dem Strom in den Schienen bewegen, sondern aufgrund elektromagnetischer Abstoßung ein paar Zentimeter höher.
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