Αυτό το σεμινάριο θα εξηγήσει την έννοια της επαγωγικής ΗΕΔ και πότε εμφανίζεται. Θα εξετάσουμε επίσης την αυτεπαγωγή ως βασική παράμετρο για την εμφάνιση μαγνητικής ροής όταν εμφανίζεται ηλεκτρικό πεδίο σε έναν αγωγό.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από μαγνητικά πεδία που μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου. Χάρη στις ανακαλύψεις των Faraday και Lenz, οι κανονικότητες διατυπώθηκαν σε νόμους, οι οποίοι εισήγαγαν τη συμμετρία στην κατανόηση των ηλεκτρομαγνητικών ροών. Η θεωρία του Μάξγουελ συνδύασε τις γνώσεις για το ηλεκτρικό ρεύμα και τις μαγνητικές ροές. Μέσω των ανακαλύψεων του Hertz, η ανθρωπότητα έμαθε για τις τηλεπικοινωνίες.
Περιεχόμενα
Μαγνητική ροή
Ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εμφανίζεται γύρω από έναν αγωγό με ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά παράλληλα εμφανίζεται και το αντίθετο φαινόμενο, η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Θεωρήστε τη μαγνητική ροή ως παράδειγμα: αν ένα πλαίσιο αγωγού τοποθετηθεί σε ηλεκτρικό πεδίο με επαγωγή και μετακινηθεί από πάνω προς τα κάτω κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών δύναμης ή από δεξιά προς αριστερά κάθετα σε αυτές, τότε η μαγνητική ροή μέσω του πλαισίου θα έχει σταθερή τιμή.
Εάν το πλαίσιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, τότε μετά από κάποιο χρονικό διάστημα η μαγνητική ροή θα αλλάξει κατά ένα ορισμένο ποσό. Αυτό θα παράγει μια ΗΕΔ στο πλαίσιο και ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο ονομάζεται ρεύμα επαγωγής.
Επαγωγική EMF
Ας κατανοήσουμε λεπτομερώς την έννοια της επαγωγικής ΗΕΔ. Όταν ένας αγωγός τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο και κινείται με τις γραμμές του πεδίου να διασταυρώνονται, εμφανίζεται στον αγωγό μια ηλεκτροκινητική δύναμη που ονομάζεται επαγωγική ΗΕΔ. Συμβαίνει επίσης εάν ο αγωγός παραμένει ακίνητος και το μαγνητικό πεδίο κινείται και τέμνει τις γραμμές του πεδίου με τον αγωγό.
Όταν ένας αγωγός, όπου παράγεται ΗΜΣ, βραχυκυκλώνεται με ένα εξωτερικό κύκλωμα, ένα επαγωγικό ρεύμα αρχίζει να ρέει μέσα στο κύκλωμα λόγω της παρουσίας αυτής της ΗΜΣ. Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή περιλαμβάνει το φαινόμενο της επαγωγής ΗΕΔ σε έναν αγωγό τη στιγμή που αυτός διασχίζεται από γραμμές μαγνητικού πεδίου.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η αντίστροφη διαδικασία της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η έννοια και οι νόμοι της χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρολογία και οι περισσότερες ηλεκτρικές μηχανές βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο.
Faraday και Lenz
Οι νόμοι του Faraday και του Lenz αντιπροσωπεύουν τους νόμους της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Ο Faraday αποκάλυψε ότι τα μαγνητικά φαινόμενα εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της μεταβολής της μαγνητικής ροής με την πάροδο του χρόνου. Τη στιγμή που ένας αγωγός διασχίζεται από ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό ρεύμα, δημιουργείται μια ηλεκτροκινητική δύναμη στον αγωγό, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Τόσο ένας μόνιμος μαγνήτης όσο και ένας ηλεκτρομαγνήτης μπορούν να παράγουν ρεύμα.
Ο επιστήμονας διαπίστωσε ότι η ένταση του ρεύματος αυξάνεται όταν ο αριθμός των ηλεκτρικών γραμμών που διασχίζουν το κύκλωμα αλλάζει γρήγορα. Η ΗΕΔ της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι σε άμεση σχέση με τη μαγνητική ροή.
Σύμφωνα με το νόμο του Faraday, ο τύπος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής EMF ορίζεται ως εξής:
E = - dF/dt.
Το σύμβολο μείον υποδεικνύει τη σχέση μεταξύ της πολικότητας της επαγόμενης ΗΕΔ, της κατεύθυνσης της ροής και της μεταβαλλόμενης ταχύτητας.
Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, είναι δυνατόν να χαρακτηριστεί η ηλεκτροκινητήρια δύναμη ως συνάρτηση της κατεύθυνσής της. Κάθε μεταβολή της μαγνητικής ροής στο πηνίο έχει ως αποτέλεσμα μια ΗΕΔ επαγωγής, με αυξανόμενη ΗΕΔ όταν η μεταβολή είναι ταχεία.
Εάν ένα πηνίο με επαγωγική ΗΕΔ βραχυκυκλωθεί σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, τότε το διαρρέει επαγωγικό ρεύμα, προκαλώντας μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό και προσδίδοντας στο πηνίο τις ιδιότητες ενός σωληνοειδούς. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα δικό του μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο.
Ο E.H. Lenz καθιέρωσε το νόμο σύμφωνα με τον οποίο καθορίζεται η κατεύθυνση του επαγωγικού ρεύματος στο πηνίο και η ΗΕΔ της επαγωγής. Ο νόμος ορίζει ότι η επαγωγική ΗΕΔ στο πηνίο σχηματίζει ρεύμα στο πηνίο προς την κατεύθυνση προς την οποία η δεδομένη μαγνητική ροή του πηνίου καθιστά δυνατή την αποφυγή μεταβολής της ξένης μαγνητικής ροής.
Ο νόμος του Lenz εφαρμόζεται σε όλες τις περιπτώσεις επαγωγής ηλεκτρικού ρεύματος σε αγωγούς, ανεξάρτητα από τη διαμόρφωσή τους ή τη μέθοδο μεταβολής του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Η κίνηση ενός σύρματος σε μαγνητικό πεδίο
Η τιμή της επαγόμενης ΗΕΔ καθορίζεται ανάλογα με το μήκος του αγωγού που διασχίζουν οι γραμμές του πεδίου. Με περισσότερες γραμμές δύναμης, η τιμή της επαγόμενης ΗΕΔ αυξάνεται. Καθώς το μαγνητικό πεδίο και η επαγωγή αυξάνονται, στον αγωγό δημιουργείται μεγαλύτερη τιμή ΗΕΔ. Έτσι, η τιμή της ΗΕΔ σε έναν αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο βρίσκεται σε άμεση συσχέτιση με την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου, το μήκος του αγωγού και την ταχύτητά του.
Η εξάρτηση αυτή αντικατοπτρίζεται στον τύπο E = Blv, όπου E είναι η ΗΕΔ της επαγωγής- B είναι η τιμή της μαγνητικής επαγωγής- I είναι το μήκος του αγωγού- v είναι η ταχύτητα κίνησής του.
Σημειώστε ότι σε έναν αγωγό που κινείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, η επαγωγή ΗΕΔ εμφανίζεται μόνο όταν διασχίζει τις δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Εάν ο αγωγός κινείται κατά μήκος των γραμμών του πεδίου, τότε δεν επάγεται ΗΕΔ. Για το λόγο αυτό, ο τύπος ισχύει μόνο όταν η κίνηση του αγωγού είναι κάθετη στις γραμμές της δύναμης.
Η κατεύθυνση της επαγόμενης ΗΕΔ και του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό καθορίζεται από την κατεύθυνση της κίνησης του ίδιου του αγωγού. Για την αποκάλυψη της κατεύθυνσης έχει αναπτυχθεί ένας κανόνας δεξιού χεριού. Αν κρατάτε την παλάμη του δεξιού σας χεριού έτσι ώστε οι γραμμές του πεδίου να εισέρχονται στη διεύθυνσή του και ο αντίχειράς σας να δείχνει προς την κατεύθυνση του αγωγού, τότε τα υπόλοιπα τέσσερα δάχτυλα δείχνουν την κατεύθυνση της επαγόμενης ΗΕΔ και την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό.
Περιστρεφόμενο πηνίο
Η λειτουργία μιας γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος βασίζεται στην περιστροφή ενός πηνίου μέσα σε μαγνητική ροή, όπου υπάρχει ορισμένος αριθμός πηνίων. Η ΗΕΔ επάγεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα πάντα όταν αυτό διατρέχεται από μαγνητική ροή, με βάση τον τύπο μαγνητική ροή F = B x S x cos α (μαγνητική επαγωγή πολλαπλασιασμένη με την επιφάνεια από την οποία διέρχεται η μαγνητική ροή και το συνημίτονο της γωνίας που σχηματίζεται από το διάνυσμα διεύθυνσης και την κάθετη στο επίπεδο της γραμμής).
Σύμφωνα με τον τύπο, το F επηρεάζεται από τις αλλαγές στις καταστάσεις:
- μια αλλαγή στη μαγνητική ροή αλλάζει το διάνυσμα κατεύθυνσης,
- η περιοχή που περικλείεται από το κύκλωμα αλλάζει,
- η γωνία αλλάζει.
Επιτρέπεται η πρόκληση ΗΕΔ όταν ο μαγνήτης είναι ακίνητος ή το ρεύμα είναι αμετάβλητο, αλλά απλά με την περιστροφή του πηνίου γύρω από τον άξονά του εντός του μαγνητικού πεδίου. Στην περίπτωση αυτή, η μαγνητική ροή μεταβάλλεται καθώς μεταβάλλεται η γωνία. Το πηνίο διασχίζει τις γραμμές μαγνητικής ροής καθώς περιστρέφεται, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ηλεκτρομαγνητική τάση. Με ομοιόμορφη περιστροφή, υπάρχει μια περιοδική αλλαγή στη μαγνητική ροή. Επίσης, ο αριθμός των γραμμών δύναμης, οι οποίες διασχίζονται κάθε δευτερόλεπτο, γίνεται ίσος σε ίσα χρονικά διαστήματα.
Στις γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος στην πράξη το πηνίο παραμένει ακίνητο και ο ηλεκτρομαγνήτης περιστρέφεται γύρω του.
EMF αυτοπαγίδευσης
Όταν ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα πηνίο, δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο χαρακτηρίζεται από μια μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή, η οποία επάγει μια ΗΕΔ. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται αυτοπαγίδευση.
Δεδομένου ότι η μαγνητική ροή είναι ανάλογη της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος, ο τύπος για την ΗΕΔ αυτοπαλίνδρομης επαγωγής έχει ως εξής:
F = L x I, όπου L είναι η αυτεπαγωγή, η οποία μετράται σε Gn. Η τιμή του καθορίζεται από τον αριθμό των στροφών ανά μονάδα μήκους και το μέγεθος της διατομής τους.
Αμοιβαία επαγωγή
Όταν δύο πηνία τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο, παρουσιάζουν ΗΕΔ αμοιβαίας επαγωγής, η οποία καθορίζεται από τη διαμόρφωση των δύο κυκλωμάτων και τον αμοιβαίο προσανατολισμό τους. Καθώς αυξάνεται ο διαχωρισμός των κυκλωμάτων, η τιμή της αμοιβαίας επαγωγής μειώνεται καθώς μειώνεται η κοινή μαγνητική ροή στα δύο πηνία.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στον τρόπο με τον οποίο γίνεται η αμοιβαία επαγωγή. Υπάρχουν δύο πηνία, στο σύρμα του ενός με Ν1 στροφές ρέει ρεύμα Ι1, το οποίο δημιουργεί μαγνητική ροή και διέρχεται από το δεύτερο πηνίο με αριθμό στροφών Ν2.
Η τιμή της αμοιβαίας επαγωγής του δεύτερου πηνίου σε σχέση με το πρώτο πηνίο:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Τιμή μαγνητικής ροής:
F21 = (M21/N2) x I1.
Η επαγόμενη ΗΜΣ υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Στο πρώτο πηνίο η τιμή της επαγόμενης ΗΕΔ είναι:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται από την αμοιβαία επαγωγή σε ένα από τα πηνία είναι σε κάθε περίπτωση ευθέως ανάλογη με τη μεταβολή του ηλεκτρικού ρεύματος στο άλλο πηνίο.
Η αμοιβαία αυτεπαγωγή θεωρείται ότι είναι ίση με:
M12 = M21 = M.
Κατά συνέπεια , E1 = - M x dI2/dt και E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), όπου K είναι ο συντελεστής σύζευξης μεταξύ των δύο τιμών της επαγωγής.
Η επαγωγή χρησιμοποιείται ευρέως στους μετασχηματιστές, οι οποίοι δίνουν τη δυνατότητα αλλαγής των τιμών ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος. Η συσκευή είναι ένα ζεύγος πηνίων που είναι τυλιγμένα σε έναν κοινό πυρήνα. Το ρεύμα στο πρώτο πηνίο σχηματίζει μια μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή στον μαγνητικό πυρήνα και το ρεύμα στο δεύτερο πηνίο. Με λιγότερες στροφές στο πρώτο πηνίο από ό,τι στο δεύτερο πηνίο, η τάση αυξάνεται και αντίστοιχα με περισσότερες στροφές στο πρώτο πηνίο, η τάση μειώνεται.
Εκτός από την παραγωγή και τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας, το φαινόμενο της μαγνητικής επαγωγής χρησιμοποιείται και σε άλλες συσκευές. Για παράδειγμα, στα τρένα μαγνητικής αιώρησης, τα οποία κινούνται χωρίς άμεση επαφή με το ρεύμα στις ράγες, αλλά μερικά εκατοστά ψηλότερα λόγω ηλεκτρομαγνητικής απώθησης.
Σχετικά άρθρα:
