Ez a bemutató elmagyarázza az induktív EMF fogalmát és azt, hogy mikor fordul elő. Az induktivitást is megvizsgáljuk, mint a mágneses fluxus megjelenésének kulcsfontosságú paraméterét, amikor egy vezetőben elektromos tér jelenik meg.
Az elektromágneses indukció az elektromos áramnak az idővel változó mágneses mezők által történő előállítása. Faraday és Lenz felfedezéseinek köszönhetően törvényszerűségeket fogalmaztak meg, amelyek szimmetriát vezettek be az elektromágneses áramlások megértésébe. Maxwell elmélete egyesítette az elektromos áramra és a mágneses fluxusokra vonatkozó ismereteket. Hertz felfedezései révén az emberiség megismerte a távközlést.
Tartalomjegyzék
Mágneses fluxus
Elektromágneses mező jelenik meg egy elektromos árammal működő vezető körül, de ezzel párhuzamosan az ellenkező jelenség, az elektromágneses indukció is előfordul. Vegyük példaként a mágneses fluxust: ha egy vezető keretet indukciós elektromos mezőbe helyezünk, és a mágneses erővonalak mentén felülről lefelé, vagy azokra merőlegesen jobbról balra mozgatjuk, akkor a kereten áthaladó mágneses fluxus állandó értékű lesz.
Ha a keret forog a tengelye körül, akkor egy idő után a mágneses fluxus egy bizonyos mértékben megváltozik. Ez EMF-et és elektromos áramot hoz létre a keretben, amit indukciós áramnak nevezünk.
Induktív EMF
Értsük meg részletesen az induktív EMF fogalmát. Amikor egy vezetőt mágneses térbe helyezünk, és a mezővonalak keresztezésével mozog, a vezetőben egy elektromotoros erő, az úgynevezett induktív EMK keletkezik. Akkor is előfordul, ha a vezető mozdulatlan marad, a mágneses tér pedig mozog, és a mezővonalak metszik a vezetőt.
Amikor egy olyan vezetőt, ahol EMF keletkezik, rövidre zárunk egy külső áramkörrel, az áramkörön induktív áram kezd átfolyni az EMF jelenléte miatt. Az elektromágneses indukció az EMF indukciójának jelenségét jelenti egy vezetőben abban a pillanatban, amikor azt mágneses térvonalak keresztezik.
Az elektromágneses indukció a mechanikai energia elektromos árammá alakításának fordított folyamata. Ezt a fogalmat és törvényeit széles körben használják a villamosmérnöki tudományokban, és a legtöbb elektromos gép ezen a jelenségen alapul.
Faraday és Lenz
Faraday és Lenz törvényei az elektromágneses indukció törvényei.
Faraday kimutatta, hogy a mágneses hatások a mágneses fluxus időbeli változásának eredményeként jelentkeznek. Abban a pillanatban, amikor egy vezetőt váltakozó mágneses áram keresztez, elektromotoros erő keletkezik a vezetőben, ami elektromos áramot eredményez. Mind az állandó mágnes, mind az elektromágnes képes áramot generálni.
A tudós megállapította, hogy az áram intenzitása akkor növekszik, ha az áramkört keresztező távvezetékek száma gyorsan változik. Az elektromágneses indukció EMF-je közvetlen kapcsolatban áll a mágneses fluxussal.
Faraday törvénye szerint az elektromágneses indukció EMF képlete a következőképpen definiálható:
E = - dF/dt.
A mínusz jel az indukált EMK polaritása, a fluxus iránya és a változó sebesség közötti kapcsolatot jelzi.
A Lenz-törvény szerint az elektromotoros erő irányának függvényében jellemezhető. A tekercsben lévő mágneses fluxus bármilyen változása indukciós EMF-et eredményez, és az EMF növekszik, ha a változás gyors.
Ha egy indukciós EMF-fel rendelkező tekercset rövidre zárunk egy külső áramkörrel, akkor indukciós áram folyik rajta keresztül, ami mágneses mezőt hoz létre a vezető körül, és a tekercsnek a szolenoid tulajdonságait adja. Ennek eredményeként a tekercs körül saját mágneses mező alakul ki.
E.H. Lenz megállapította azt a törvényt, amely szerint a tekercsben folyó indukciós áram iránya és az indukciós EMF meghatározható. A törvény kimondja, hogy a tekercsben az induktív EMK olyan irányú áramot képez a tekercsben, amelyben a tekercs adott mágneses fluxusa lehetővé teszi a külső mágneses fluxus változásának elkerülését.
A Lenz-törvény a vezetőkben az elektromos áram indukciójának minden helyzetére érvényes, függetlenül azok konfigurációjától vagy a külső mágneses tér megváltoztatásának módjától.
Egy huzal mozgása mágneses térben
Az indukált EMF értéke a mezővonalak által áthaladó vezető hosszának függvényében határozható meg. Több erővonallal nő az indukált EMF értéke. A mágneses tér és az indukció növekedésével a vezetőben nagyobb EMF érték keletkezik. Így a mágneses térben mozgó vezetőben az EMK értéke közvetlenül függ a mágneses tér indukciójától, a vezető hosszától és sebességétől.
Ezt a függőséget tükrözi az E = Blv képlet, ahol E az indukciós EMF; B a mágneses indukció értéke; I a vezető hossza; v a mozgásának sebessége.
Vegyük észre, hogy egy mágneses térben mozgó vezetőben az EMK-indukció csak akkor jelentkezik, ha az keresztezi a mágneses tér erővonalait. Ha a vezető a mezővonalak mentén mozog, akkor nem keletkezik EMK. Ezért a képlet csak akkor alkalmazható, ha a vezető mozgása merőleges az erővonalakra.
Az indukált EMK és az elektromos áram irányát a vezetőben maga a vezető mozgásának iránya határozza meg. Az irány feltárására egy jobbra mutató szabályt dolgoztak ki. Ha a jobb tenyerét úgy tartja, hogy a mezővonalak az irányába lépjenek be, és a hüvelykujja a vezető irányába mutat, akkor a maradék négy ujja az indukált EMK irányát és a vezetőben folyó elektromos áram irányát mutatja.
Forgó tekercs
Az elektromos áramfejlesztő működése egy tekercs mágneses áramban való forgásán alapul, ahol bizonyos számú tekercs van. EMF mindig akkor indukálódik egy elektromos áramkörben, amikor azt mágneses áram keresztezi, a következő képlet alapján: mágneses áram F = B x S x cos α (mágneses indukció szorozva a mágneses áram által áthaladó felülettel és az irányvektor és a vonal síkjára merőleges szög koszinuszával).
A képlet szerint az F-et a helyzetek változása befolyásolja:
- a mágneses fluxus változása megváltoztatja az irányvektort;
- az áramkör által körülvett terület megváltozik;
- a szög megváltozik.
EMK-t akkor is szabad indukálni, ha a mágnes álló helyzetben van, vagy az áram változatlan, de egyszerűen a tekercs tengelye körüli forgatásával a mágneses mezőben. Ebben az esetben a mágneses fluxus a szög változásával változik. A tekercs forgása közben keresztezi a mágneses fluxusvonalakat, ami EMF-et eredményez. Egyenletes forgás esetén a mágneses fluxus periodikusan változik. A másodpercenként áthaladó erővonalak száma is egyenlő időközönként egyenlővé válik.
A váltakozó áramú generátorokban a gyakorlatban a tekercs mozdulatlan marad, és az elektromágnes forog körülötte.
Önindukciós EMF
Amikor egy tekercsen váltakozó elektromos áram halad át, váltakozó mágneses mező keletkezik, amelyet változó mágneses fluxus jellemez, amely EMF-et indukál. Ezt a jelenséget önindukciónak nevezik.
Mivel a mágneses fluxus arányos az elektromos áram intenzitásával, az önindukciós EMF képlete a következő:
F = L x I, ahol L az induktivitás, amelyet Gn-ben mérünk. Értékét az egységnyi hosszúságra jutó fordulatok száma és a keresztmetszeti területük nagysága határozza meg.
Kölcsönös indukció
Ha két tekercset egymás mellé helyezünk, akkor azok kölcsönös indukciós EMK-t mutatnak, amelyet a két áramkör konfigurációja és kölcsönös tájolása határoz meg. Az áramkörök közötti távolság növekedésével a kölcsönös induktivitás értéke csökken, mivel a két tekercs közös mágneses fluxusa csökken.
Nézzük meg közelebbről, hogyan történik a kölcsönös indukció. Két tekercs van, az egyik N1 fordulatszámú tekercsben I1 áram folyik, amely mágneses fluxust hoz létre, és átfolyik a második, N2 fordulatszámú tekercsen.
A második tekercs kölcsönös induktivitásának értéke az első tekercshez viszonyítva:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Mágneses fluxus értéke:
F21 = (M21/N2) x I1.
Az indukált EMF kiszámítása a következő képlettel történik:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Az első tekercsben az indukált EMF értéke:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Fontos megjegyezni, hogy a kölcsönös indukció által az egyik tekercsben indukált elektromotoros erő minden esetben egyenesen arányos a másik tekercsben folyó elektromos áram változásával.
A kölcsönös induktivitást ekkor egyenlőnek feltételezzük:
M12 = M21 = M.
Ennek következtében E1 = - M x dI2/dt és E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), ahol K a két induktivitási érték közötti kapcsolási tényező.
Az interindukciót széles körben használják a transzformátorokban, amelyek lehetővé teszik a váltakozó elektromos áram értékeinek megváltoztatását. A készülék egy pár tekercs, amelyek egy közös magra vannak tekerve. Az első tekercsben folyó áram változó mágneses fluxust képez a mágneses magban és a második tekercsben folyó áramot. Ha az első tekercsben kevesebb tekercs van, mint a másodikban, a feszültség nő, és ennek megfelelően, ha az első tekercsben több tekercs van, a feszültség csökken.
Az elektromos energia előállítása és átalakítása mellett a mágneses indukció jelenségét más eszközökben is használják. Például a mágneses lebegtetésű vonatokban, amelyek a sínekben folyó árammal való közvetlen érintkezés nélkül, de az elektromágneses taszításnak köszönhetően néhány centiméterrel magasabban mozognak.
Kapcsolódó cikkek:
