Šajā pamācībā tiks izskaidrots induktīvās EML jēdziens un tā rašanās gadījumi. Mēs aplūkosim arī induktivitāti kā galveno parametru, kas nosaka magnētiskās plūsmas rašanos, kad vadītājā rodas elektriskais lauks.
Elektromagnētiskā indukcija ir elektriskās strāvas ģenerēšana ar magnētisko lauku, kas mainās laika gaitā. Pateicoties Faradeja un Lenca atklājumiem, likumsakarības tika formulētas likumos, kas elektromagnētisko plūsmu izpratnē ieviesa simetriju. Maksvela teorija apvienoja zināšanas par elektrisko strāvu un magnētisko plūsmu. Pateicoties Herca atklājumiem, cilvēce uzzināja par telekomunikācijām.
Saturs
Magnētiskā plūsma
Elektromagnētiskais lauks rodas ap vadītāju ar elektrisko strāvu, bet paralēli tam notiek arī pretēja parādība - elektromagnētiskā indukcija. Aplūkojiet magnētisko plūsmu kā piemēru: ja vadītāja rāmis tiek novietots indukcijas elektriskā laukā un tiek pārvietots no augšas uz leju gar magnētiskajām spēka līnijām vai no labās uz kreiso pusi perpendikulāri tām, tad magnētiskā plūsma caur šo rāmi būs konstanta vērtība.
Ja rāmis griežas ap savu asi, tad pēc kāda laika magnētiskā plūsma mainīsies par noteiktu daudzumu. Tas radīs elektromagnētisko lauku rāmī un elektrisko strāvu, ko sauc par indukcijas strāvu.
Induktīvā EML
Izpratīsim induktīvās EML jēdzienu sīkāk. Ja vadītāju novieto magnētiskajā laukā un tas kustas, krustojoties lauka līnijām, vadītājā rodas elektromotora spēks, ko sauc par induktīvās strāvas EML. Tas notiek arī tad, ja vadītājs paliek nekustīgs, bet magnētiskais lauks pārvietojas un krusto lauka līnijas ar vadītāju.
Ja vadu, kurā rodas EML, savieno ar ārējo ķēdi, tad šī EML klātbūtnes dēļ pa ķēdi sāk plūst induktīvā strāva. Elektromagnētiskā indukcija ir parādība, kas saistīta ar EML indukciju vadītājā brīdī, kad to šķērso magnētiskā lauka līnijas.
Elektromagnētiskā indukcija ir apgriezts process, kurā mehāniskā enerģija pārvēršas elektriskajā strāvā. Šo jēdzienu un tā likumus plaši izmanto elektrotehnikā, un lielākā daļa elektrisko mašīnu ir balstītas uz šo parādību.
Faradejs un Lencs
Faradeja un Lenca likumi ir elektromagnētiskās indukcijas likumi.
Faradejs atklāja, ka magnētiskie efekti rodas, mainoties magnētiskajam ātrumam laika gaitā. Brīdī, kad vadītāju šķērso maiņstrāva, vadītājā rodas elektromotora spēks, un rezultātā rodas elektriskā strāva. Gan pastāvīgais magnēts, gan elektromagnēts var radīt strāvu.
Zinātnieks atklāja, ka strāvas intensitāte palielinās, kad strauji mainās strāvas līniju skaits, kas šķērso ķēdi. Elektromagnētiskās indukcijas EML ir tieši saistīts ar magnētisko plūsmu.
Saskaņā ar Faradeja likumu elektromagnētiskās indukcijas formulu EMF definē šādi:
E = - dF/dt.
Mīnusa zīme norāda saistību starp inducētās EML polaritāti, plūsmas virzienu un mainīgo ātrumu.
Saskaņā ar Lenca likumu var raksturot elektromotora spēku kā tā virziena funkciju. Jebkuras magnētiskā indukcijas plūsmas izmaiņas spolē rada indukcijas EML, un, ja izmaiņas ir straujas, palielinās EML.
Ja spole ar indukcijas EML ir savienota ar ārējo ķēdi, tad caur to plūst indukcijas strāva, kas rada magnētisko lauku ap vadītāju un piešķir spolei solenoīda īpašības. Tā rezultātā ap spoli veidojas savs magnētiskais lauks.
E. H. Lencs izveidoja likumu, saskaņā ar kuru nosaka indukcijas strāvas virzienu spolē un indukcijas EML. Likums nosaka, ka induktīvā EML spolei veido strāvu spolē tādā virzienā, kurā dotā spoles magnētiskā plūsma ļauj izvairīties no svešas magnētiskās plūsmas izmaiņām.
Lenca likums attiecas uz visām elektriskās strāvas indukcijas situācijām vadītājos neatkarīgi no to konfigurācijas vai ārējā magnētiskā lauka maiņas metodes.
Stieples kustība magnētiskā laukā
Inducētās EML vērtību nosaka atkarībā no lauka līniju šķērsotā vadītāja garuma. Ar vairāk spēka līnijām inducētās EML vērtība palielinās. Palielinoties magnētiskajam laukam un indukcijai, vadītājā rodas lielāka EML vērtība. Tādējādi EML vērtība vadītājā, kas pārvietojas magnētiskā laukā, ir tieši saistīta ar magnētiskā lauka indukciju, vadītāja garumu un tā ātrumu.
Šo atkarību atspoguļo formula E = Blv, kur E ir indukcijas EML; B ir magnētiskās indukcijas vērtība; I ir vadītāja garums; v ir tā kustības ātrums.
Ņemiet vērā, ka magnētiskā laukā kustīgā vadītājā EML indukcija parādās tikai tad, kad tā šķērso magnētiskā lauka spēka līnijas. Ja vadītājs pārvietojas pa lauka līnijām, tad netiek inducēta EML. Šī iemesla dēļ formula ir piemērojama tikai tad, ja vadītāja kustība ir perpendikulāra spēka līnijām.
Inducētās EML un elektriskās strāvas virzienu vadītājā nosaka paša vadītāja kustības virziens. Lai atklātu virzienu, ir izstrādāts labās rokas noteikums. Ja labās rokas plaukstu turat tā, lai lauka līnijas ieiet tās virzienā, un īkšķis norāda uz vadītāja virzienu, tad pārējie četri pirksti parāda inducētās EML virzienu un elektriskās strāvas virzienu vadītājā.
Rotējošā spole
Elektriskās strāvas ģeneratora funkcijas pamatā ir spoles rotācija magnētiskajā plūsmā, kurā ir noteikts skaits spoļu. Elektriskajā ķēdē vienmēr tiek inducēta EML, kad to šķērso magnētiskā plūsma, pamatojoties uz formulu magnētiskā plūsma F = B x S x cos α (magnētiskā indukcija, kas reizināta ar virsmas laukumu, caur kuru iet magnētiskā plūsma, un leņķa, ko veido virziena vektors un perpendikulāri līnijas plaknei, kosinusu).
Saskaņā ar formulu F ietekmē situācijas izmaiņas:
- mainoties magnētiskajam ātrumam, mainās virziena vektors;
- mainās ķēdes aptvertā platība;
- leņķis tiek mainīts.
Ja magnēts ir nekustīgs vai strāva ir nemainīga, ir pieļaujams inducēt EML, bet vienkārši pagriežot spole ap tās asi magnētiskajā laukā. Šajā gadījumā magnētiskā plūsma mainās, mainoties leņķim. Rotācijas laikā spole šķērso magnētiskās plūsmas līnijas, radot EML. Vienmērīgas rotācijas gadījumā magnētiskā plūsma periodiski mainās. Arī spēka līniju skaits, kas tiek šķērsotas katru sekundi, kļūst vienāds vienādos laika intervālos.
Maiņstrāvas ģeneratoros praksē spole paliek nekustīga, un elektromagnēts griežas ap to.
Pašindukcijas EML
Kad caur spoli plūst maiņstrāva, rodas maiņstrāvas magnētiskais lauks, ko raksturo mainīgs magnētiskais plūsmas lielums, kas inducē EML. Šo parādību sauc par pašindukciju.
Tā kā magnētiskā plūsma ir proporcionāla elektriskās strāvas intensitātei, tad pašindukcijas EML formula ir šāda:
F = L x I, kur L ir induktivitāte, ko mēra Gn. Tās vērtību nosaka vijumu skaits uz garuma vienību un to šķērsgriezuma laukuma lielums.
Savstarpēja indukcija
Ja divas spoles ir novietotas viena blakus otrai, tām rodas savstarpējas indukcijas EML, ko nosaka abu ķēžu konfigurācija un to savstarpējā orientācija. Palielinoties ķēžu atdalīšanai, savstarpējās induktivitātes vērtība samazinās, jo samazinās magnētiskā plūsma, ko dala abas spoles.
Aplūkosim, kā notiek savstarpējā indukcija. Ir divas spoles, pa vienas ar N1 vijumu vadu plūst strāva I1, kas rada magnētisko plūsmu un plūst caur otru spoli ar N2 vijumu skaitu.
Otrās spoles savstarpējās induktivitātes vērtība attiecībā pret pirmo spoli:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Magnētiskā plūsmas vērtība:
F21 = (M21/N2) x I1.
Inducēto EML aprēķina, izmantojot formulu:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Pirmajā spolē inducētās EML vērtība ir:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Ir svarīgi atzīmēt, ka elektromotora spēks, ko inducē savstarpējā indukcija vienā no spolēm, jebkurā gadījumā ir tieši proporcionāls elektriskās strāvas izmaiņām otrā spolē.
Tad pieņem, ka savstarpējā induktivitāte ir vienāda ar:
M12 = M21 = M.
Rezultātā E1 = - M x dI2/dt un E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), kur K ir savienojuma koeficients starp divām induktivitātes vērtībām.
Interindukciju plaši izmanto transformatoros, kas nodrošina iespēju mainīt maiņstrāvas vērtības. Ierīce ir pāris spoļu, kas ir uzvilktas uz kopējas serdes. Strāva pirmajā spolē veido mainīgu magnētisko plūsmu magnētiskajā serdenī un strāvu otrajā spolē. Ja pirmajā spolē ir mazāk vijumu nekā otrajā spolē, spriegums palielinās, un attiecīgi, ja pirmajā spolē ir vairāk vijumu, spriegums samazinās.
Papildus elektroenerģijas ražošanai un pārveidošanai magnētiskās indukcijas parādība tiek izmantota arī citās ierīcēs. Piemēram, magnētiskās levitācijas vilcienos, kas pārvietojas bez tieša kontakta ar strāvu sliedēs, bet elektromagnētiskās atgrūšanas dēļ pāris centimetrus augstāk.
Saistītie raksti:
