Tässä opetusohjelmassa selitetään induktiivisen sähkömagneettisen kentän käsite ja sen esiintyminen. Tarkastelemme myös induktanssia, joka on keskeinen parametri magneettivuon syntymiselle, kun sähkökenttä esiintyy johtimessa.
Sähkömagneettinen induktio on sähkövirran syntymistä ajan myötä muuttuvien magneettikenttien avulla. Faradayn ja Lenzin löytöjen ansiosta säännönmukaisuudet muotoiltiin laeiksi, jotka toivat symmetrian sähkömagneettisten virtojen ymmärtämiseen. Maxwellin teoriassa yhdistettiin sähkövirtaa ja magneettivuota koskevat tiedot. Hertzin keksintöjen ansiosta ihmiskunta oppi tietoliikenteestä.
Sisältö
Magneettivuo
Sähkövirtaa johtavan johtimen ympärille syntyy sähkömagneettinen kenttä, mutta samanaikaisesti tapahtuu myös päinvastainen ilmiö, sähkömagneettinen induktio. Esimerkkinä magneettivuo: jos johdinkehys asetetaan induktiota sisältävään sähkökenttään ja sitä liikutetaan ylhäältä alas magneettisia voimaviivoja pitkin tai oikealta vasemmalle kohtisuoraan niitä vastaan, kehyksen läpi kulkeva magneettivuo on vakioarvo.
Jos kehys pyörii akselinsa ympäri, magneettivuo muuttuu jonkin ajan kuluttua tietyn määrän. Tämä tuottaa sähkömagneettisen kentän kehykseen ja sähkövirran, jota kutsutaan induktiovirraksi.
Induktiivinen EMF
Ymmärretään induktiivisen sähkömagneettisen kentän käsite yksityiskohtaisesti. Kun johdin asetetaan magneettikenttään ja se liikkuu siten, että kenttäviivat risteävät, johtimeen syntyy sähkömotorinen voima, jota kutsutaan induktiiviseksi sähkömagneettivoimaksi. Se tapahtuu myös, jos johdin pysyy paikallaan ja magneettikenttä liikkuu ja leikkaa kenttäviivat johtimen kanssa.
Kun johdin, jossa syntyy sähkömagneettista kenttää, oikosuljetaan ulkoiseen virtapiiriin, virtapiirin läpi alkaa kulkea induktiivinen virta tämän sähkömagneettisen kentän vaikutuksesta. Sähkömagneettinen induktio on ilmiö, jossa sähkömagneettinen kenttä indusoituu sähkömagneettiseen kenttään silloin, kun magneettikentän linjat ylittävät sen.
Sähkömagneettinen induktio on käänteinen prosessi, jossa mekaaninen energia muutetaan sähkövirraksi. Tätä käsitettä ja sen lakeja käytetään laajalti sähkötekniikassa, ja useimmat sähkökoneet perustuvat tähän ilmiöön.
Faraday ja Lenz
Faradayn ja Lenzin lait edustavat sähkömagneettisen induktion lakeja.
Faraday paljasti, että magneettiset vaikutukset ilmenevät magneettivuon muuttuessa ajan myötä. Kun vaihtuva magneettivirta kulkee johtimen läpi, johtimeen syntyy sähkömotorinen voima, joka johtaa sähkövirtaan. Sekä kestomagneetti että sähkömagneetti voivat tuottaa virtaa.
Tutkija havaitsi, että virran voimakkuus kasvaa, kun virtapiirin yli kulkevien voimajohtojen määrä muuttuu nopeasti. Sähkömagneettisen induktion EMF on suorassa suhteessa magneettivuon kanssa.
Faradayn lain mukaan sähkömagneettisen induktion kaava EMF määritellään seuraavasti:
E = - dF/dt.
Miinusmerkki osoittaa indusoidun sähkömagneettisen kentän napaisuuden, vuon suunnan ja muuttuvan nopeuden välisen suhteen.
Lenzin lain mukaan sähkömotorista voimaa voidaan luonnehtia sen suunnan funktiona. Mikä tahansa muutos kelan magneettivuossa aiheuttaa induktiosähkömagneettisen kentän sähkömagneettisen voiman, ja sähkömagneettisen voiman määrä kasvaa, kun muutos on nopea.
Jos induktiosähkömagneettisen kentän omaava kela on oikosuljettu ulkoiseen virtapiiriin, sen läpi kulkee induktiovirta, joka aiheuttaa magneettikentän johtimen ympärille ja antaa kelalle solenoidin ominaisuudet. Tämän seurauksena kelan ympärille muodostuu oma magneettikenttä.
E.H. Lenz loi lain, jonka mukaan induktiovirran suunta käämissä ja induktion EMF määräytyvät. Lain mukaan kelan induktiivinen sähkömagneettinen kenttävoima muodostaa kelan virran suuntaan, jossa kelan magneettivuo mahdollistaa sen, että ulkoisen magneettivuon muutos voidaan välttää.
Lenzin lakia sovelletaan kaikkiin tilanteisiin, joissa sähkövirta indusoituu johtimiin, riippumatta niiden kokoonpanosta tai ulkoisen magneettikentän muuttamistavasta.
Langan liike magneettikentässä
Indusoidun sähkömagneettisen kenttävoiman arvo määräytyy kenttäjohtimien läpäisemän johtimen pituuden mukaan. Kun voimajohtoja on enemmän, indusoidun EMF:n arvo kasvaa. Kun magneettikenttä ja induktio kasvavat, sähkömagneettisen kentän arvo kasvaa johtimessa. Siten magneettikentässä liikkuvan johtimen sähkömagneettisen kentän sähkömagneettisen kentän arvo on suoraan yhteydessä magneettikentän induktioon, johtimen pituuteen ja sen nopeuteen.
Tämä riippuvuus näkyy kaavassa E = Blv, jossa E on induktion EMF; B on magneettisen induktion arvo; I on johtimen pituus; v on sen liikenopeus.
Huomaa, että magneettikentässä liikkuvassa johtimessa sähkömagneettisen kentän induktio ilmenee vain silloin, kun se ylittää magneettikentän voimaviivat. Jos johdin liikkuu kenttäviivoja pitkin, sähkömagneettista kenttää ei synny. Tästä syystä kaava pätee vain silloin, kun johtimen liike on kohtisuorassa voimasuuntiin nähden.
Johtimeen indusoituvan sähkömagneettisen kentän ja sähkövirran suunta määräytyy johtimen liikesuunnan mukaan. Suunnan paljastamiseksi on kehitetty oikean käden sääntö. Jos pidät oikean kämmenesi kämmentä niin, että kenttäviivat tulevat sen suuntaan ja peukalosi osoittaa johtimen suuntaan, loput neljä sormea osoittavat indusoidun sähkömagneettisen kentän voimakkuuden suunnan ja johtimessa kulkevan sähkövirran suunnan.
Pyörivä kela
Sähkögeneraattorin toiminta perustuu kelan pyörimiseen magneettivuossa, jossa on tietty määrä keloja. Sähköpiiriin indusoituu sähkömagneettinen kenttävoima aina, kun sen läpi kulkee magneettivuo, joka perustuu kaavaan magneettivuo F = B x S x cos α (magneettinen induktio kerrottuna pinta-alalla, jonka läpi magneettivuo kulkee, ja suuntavektorin ja linjatason kohtisuoran muodostaman kulman kosinuksella).
Kaavan mukaan F:hen vaikuttavat tilanteiden muutokset:
- magneettivuon muutos muuttaa suuntavektoria;
- piirin ympäröimä alue muuttuu;
- kulmaa muutetaan.
Sähkömagneettivoima voidaan indusoida, kun magneetti on paikallaan tai virta on muuttumaton, mutta yksinkertaisesti kiertämällä kelaa akselinsa ympäri magneettikentässä. Tällöin magneettivuo muuttuu kulman muuttuessa. Kela ylittää magneettivuon linjat pyöriessään, jolloin syntyy sähkömagneettinen kenttä. Tasaisella pyörimisellä magneettivuo muuttuu jaksoittain. Myös joka sekunti ylitettävien voimaviivojen määrä muuttuu yhtä suureksi yhtä pitkissä aikaväleissä.
Käytännössä vaihtovirtageneraattoreissa kela pysyy paikallaan ja sähkömagneetti pyörii sen ympärillä.
Itseinduktio EMF
Kun vaihtosähkövirta kulkee kelan läpi, syntyy vaihtuva magneettikenttä, jolle on ominaista muuttuva magneettivuo, joka indusoi sähkömagneettisen kentän. Tätä ilmiötä kutsutaan itseinduktioksi.
Koska magneettivuo on verrannollinen sähkövirran voimakkuuteen, itseinduktiovoiman kaava on seuraava:
F = L x I, jossa L on induktanssi, joka mitataan Gn:nä. Sen arvo määräytyy kierrosten lukumäärän ja niiden poikkipinta-alan mukaan.
Keskinäinen induktio
Kun kaksi käämiä asetetaan vierekkäin, ne saavat aikaan keskinäisen induktion EMF:n, joka määräytyy kahden piirin kokoonpanon ja keskinäisen suuntauksen mukaan. Kun piirien etäisyys toisistaan kasvaa, keskinäisen induktanssin arvo pienenee, koska kahden kelan jakama magneettivuo pienenee.
Katsotaanpa tarkemmin, miten keskinäinen induktio tapahtuu. Käämejä on kaksi, joista toisessa on N1 kierrosta ja toisessa kulkee virta I1, joka luo magneettivuon ja virtaa toisen kelan läpi, jossa on N2 kierrosta.
Toisen kelan keskinäisen induktanssin arvo suhteessa ensimmäiseen kelaan:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Magneettivuon arvo:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indusoitu EMF lasketaan kaavalla:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Ensimmäisessä kelassa indusoidun EMF:n arvo on:
E1 = - M12 x dI2/dt.
On tärkeää huomata, että keskinäisen induktion aiheuttama sähkömotorinen voima on joka tapauksessa suoraan verrannollinen toisessa kelassa olevan sähkövirran muutokseen.
Keskinäisen induktanssin oletetaan olevan yhtä suuri kuin:
M12 = M21 = M.
Näin ollen E1 = - M x dI2/dt ja E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), jossa K on kahden induktanssin arvon välinen kytkentäkerroin.
Interinduktiota käytetään laajalti muuntajissa, jotka antavat mahdollisuuden muuttaa vaihtosähkövirran arvoja. Laite koostuu parista kelasta, jotka on kiedottu yhteiseen ytimeen. Ensimmäisen kelan virta muodostaa vaihtelevan magneettivuon magneettisydämeen ja toisen kelan virta muodostaa vaihtelevan magneettivuon. Kun ensimmäisessä kelassa on vähemmän kierroksia kuin toisessa kelassa, jännite kasvaa, ja vastaavasti kun ensimmäisessä kelassa on enemmän kierroksia, jännite pienenee.
Sähköenergian tuottamisen ja muuntamisen lisäksi magneettista induktiota käytetään muissa laitteissa. Esimerkiksi magneettilevitaatiojunissa, jotka liikkuvat ilman suoraa kosketusta kiskoissa kulkevaan virtaan, mutta pari senttiä korkeammalla sähkömagneettisen vastuksen ansiosta.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
