In deze handleiding wordt het begrip inductieve EMF uitgelegd en wanneer het optreedt. Wij zullen ook kijken naar inductie als een belangrijke parameter voor het optreden van magnetische flux wanneer een elektrisch veld in een geleider verschijnt.
Elektromagnetische inductie is het opwekken van elektrische stroom door magnetische velden die in de tijd veranderen. Dankzij de ontdekkingen van Faraday en Lenz werden regelmatigheden geformuleerd in wetten, die symmetrie introduceerden in het begrip van elektromagnetische fluxen. De theorie van Maxwell bracht de kennis van elektrische stroom en magnetische fluxen samen. Door de ontdekkingen van Hertz leerde de mensheid over telecommunicatie.
Inhoud
Magnetische flux
Rond een geleider met een elektrische stroom verschijnt een elektromagnetisch veld, maar parallel daaraan treedt ook het tegenovergestelde verschijnsel op, namelijk elektromagnetische inductie. Beschouw de magnetische flux als voorbeeld: indien een geleiderframe in een elektrisch veld met inductie wordt geplaatst en van boven naar beneden langs de magnetische krachtlijnen wordt bewogen, of van rechts naar links loodrecht daarop, dan zal de magnetische flux door het frame een constante waarde hebben.
Als het frame om zijn as draait, zal na enige tijd de magnetische flux met een bepaalde hoeveelheid veranderen. Dit veroorzaakt een EMF in het frame en een elektrische stroom, die inductiestroom wordt genoemd.
Inductieve EMF
Laten we het concept van inductieve EMF in detail begrijpen. Wanneer een geleider in een magnetisch veld wordt geplaatst en beweegt terwijl de veldlijnen elkaar kruisen, ontstaat in de geleider een elektromotorische kracht die inductieve EMF wordt genoemd. Het doet zich ook voor als de geleider stil blijft staan en het magnetisch veld beweegt en de veldlijnen met de geleider kruist.
Wanneer een geleider, waar EMF wordt opgewekt, wordt kortgesloten met een externe stroomkring, begint er een inductieve stroom door de stroomkring te lopen als gevolg van de aanwezigheid van deze EMF. Elektromagnetische inductie is het verschijnsel van inductie van EMF in een geleider op het moment dat deze wordt gekruist door magnetische veldlijnen.
Elektromagnetische inductie is het omgekeerde proces van de omzetting van mechanische energie in elektrische stroom. Dit concept en zijn wetten worden veel gebruikt in de elektrotechniek en de meeste elektrische machines zijn op dit verschijnsel gebaseerd.
Faraday en Lenz
De wetten van Faraday en Lenz zijn de wetten van elektromagnetische inductie.
Faraday toonde aan dat magnetische effecten optreden als gevolg van de verandering van de magnetische flux in de tijd. Op het moment dat een geleider wordt gekruist door een wisselende magnetische stroom, wordt in de geleider een elektromotorische kracht opgewekt, die resulteert in een elektrische stroom. Zowel een permanente magneet als een elektromagneet kunnen stroom opwekken.
De wetenschapper ontdekte dat de intensiteit van de stroom toeneemt wanneer het aantal krachtlijnen dat de stroomkring doorkruist snel verandert. De EMF van elektromagnetische inductie staat in directe relatie tot de magnetische flux.
Volgens de wet van Faraday wordt de formule voor elektromagnetische inductie EMF als volgt gedefinieerd:
E = - dF/dt.
Het minteken geeft het verband aan tussen de polariteit van de geïnduceerde EMF, de richting van de flux en de veranderende snelheid.
Volgens de wet van Lenz is het mogelijk de elektromotorische kracht te karakteriseren als een functie van de richting ervan. Elke verandering van de magnetische flux in de spoel resulteert in een EMF van inductie, waarbij een toenemende EMF optreedt wanneer de verandering snel is.
Indien een spoel met inductie-EMF wordt kortgesloten op een extern circuit, dan vloeit er een inductiestroom doorheen, waardoor een magnetisch veld rond de geleider ontstaat en de spoel de eigenschappen van een solenoïde krijgt. Als gevolg daarvan wordt een eigen magnetisch veld rond de spoel gevormd.
E.H. Lenz stelde de wet op volgens welke de richting van de inductiestroom in de spoel en de EMF van inductie worden bepaald. De wet zegt dat de inductieve EMF in de spoel een stroom in de spoel vormt in de richting waarin de gegeven magnetische flux van de spoel het mogelijk maakt een verandering in de vreemde magnetische flux te vermijden.
De wet van Lenz geldt voor alle situaties van elektrische stroominductie in geleiders, ongeacht hun configuratie of de methode om het externe magnetische veld te veranderen.
De beweging van een draad in een magnetisch veld
De waarde van de geïnduceerde EMF wordt bepaald aan de hand van de lengte van de geleider die door de veldlijnen wordt doorkruist. Met meer krachtlijnen neemt de waarde van de geïnduceerde EMF toe. Naarmate het magnetisch veld en de inductie toenemen, ontstaat een grotere waarde van EMF in de geleider. De waarde van de EMF in een geleider die zich in een magnetisch veld beweegt, staat dus in direct verband met de inductie van het magnetisch veld, de lengte van de geleider en zijn snelheid.
Deze afhankelijkheid komt tot uiting in de formule E = Blv, waarin E de EMF van inductie is; B de waarde van de magnetische inductie; I de lengte van de geleider; v de snelheid van zijn beweging.
Merk op dat in een geleider die in een magnetisch veld beweegt, EMF-inductie alleen optreedt wanneer hij de krachtlijnen van het magnetisch veld kruist. Als de geleider langs de veldlijnen beweegt, wordt er geen EMF geïnduceerd. Daarom is de formule alleen van toepassing wanneer de beweging van de geleider loodrecht op de krachtlijnen staat.
De richting van de geïnduceerde EMF en de elektrische stroom in de geleider wordt bepaald door de bewegingsrichting van de geleider zelf. Er is een rechterhandregel ontwikkeld om de richting te onthullen. Als je de palm van je rechterhand zo houdt dat de veldlijnen in zijn richting komen en je duim in de richting van de geleider wijst, dan geven de overige vier vingers de richting van de geïnduceerde EMF aan en de richting van de elektrische stroom in de geleider.
Roterende spoel
De functie van een elektrische stroomgenerator is gebaseerd op de rotatie van een spoel in een magnetische flux, waarbij er een bepaald aantal spoelen zijn. EMF wordt in een elektrisch circuit altijd geïnduceerd wanneer het wordt doorkruist door magnetische flux, gebaseerd op de formule magnetische flux F = B x S x cos α (magnetische inductie vermenigvuldigd met de oppervlakte waar de magnetische flux doorheen gaat en de cosinus van de hoek gevormd door de richtingsvector en de loodlijn op het lijnvlak).
Volgens de formule wordt F beïnvloed door veranderingen in situaties:
- een verandering in de magnetische flux verandert de richtingsvector;
- verandert het door het circuit omsloten gebied;
- wordt de hoek veranderd.
Het is toegestaan een EMF te induceren wanneer de magneet stilstaat of de stroom onveranderd is, maar alleen door de spoel binnen het magnetische veld om zijn as te laten draaien. In dit geval verandert de magnetische flux als de hoek verandert. De spoel kruist de magnetische fluxlijnen terwijl hij draait, wat resulteert in een EMF. Bij uniforme rotatie is er een periodieke verandering in de magnetische flux. Ook het aantal krachtlijnen, die elke seconde worden gekruist, wordt gelijk in gelijke tijdsintervallen.
In wisselstroomgeneratoren blijft de spoel in de praktijk stilstaan en draait de elektromagneet eromheen.
Zelfinductie EMF
Wanneer een elektrische wisselstroom door een spoel loopt, wordt een wisselend magnetisch veld opgewekt, gekenmerkt door een wisselende magnetische flux die een EMF induceert. Dit verschijnsel wordt zelfinductie genoemd.
Aangezien de magnetische flux evenredig is met de intensiteit van de elektrische stroom, is de formule voor zelfinductie-EMF dan als volgt:
F = L x I, waarbij L de inductie is, die wordt gemeten in Gn. De waarde ervan wordt bepaald door het aantal windingen per lengte-eenheid en de grootte van hun doorsnede.
Wederzijdse Inductie
Wanneer twee spoelen naast elkaar worden geplaatst, vertonen zij een EMF van onderlinge inductie die wordt bepaald door de configuratie van de twee circuits en hun onderlinge oriëntatie. Naarmate de afstand tussen de circuits toeneemt, neemt de waarde van de wederkerige inductie af omdat de gemeenschappelijke magnetische flux van de twee spoelen afneemt.
Laten we eens nader bekijken hoe wederzijdse inductie plaatsvindt. Er zijn twee spoelen, op de draad van de ene met N1 windingen vloeit een stroom I1, die een magnetische flux creëert en door de tweede spoel met N2 aantal windingen gaat.
De waarde van de wederkerige inductie van de tweede spoel ten opzichte van de eerste spoel:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Magnetische fluxwaarde:
F21 = (M21/N2) x I1.
De geïnduceerde EMF wordt berekend met de formule:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
In de eerste spoel is de waarde van de geïnduceerde EMF:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Het is belangrijk op te merken dat de elektromotorische kracht die door wederzijdse inductie in één van de spoelen wordt opgewekt, in ieder geval recht evenredig is met de verandering van de elektrische stroom in de andere spoel.
De onderlinge inductie wordt dan verondersteld gelijk te zijn aan:
M12 = M21 = M.
Bijgevolg is E1 = - M x dI2/dt en E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), waarbij K de koppelingsfactor is tussen de twee waarden van inductantie.
Interinductie wordt veel gebruikt in transformatoren, die het mogelijk maken de waarden van een elektrische wisselstroom te veranderen. Het apparaat bestaat uit een paar spoelen die op een gemeenschappelijke kern zijn gewikkeld. De stroom in de eerste spoel vormt een variërende magnetische flux in de magnetische kern en de stroom in de tweede spoel. Met minder windingen in de eerste spoel dan in de tweede spoel neemt de spanning toe, en dienovereenkomstig met meer windingen in de eerste spoel neemt de spanning af.
Naast de opwekking en omzetting van elektrische energie wordt het verschijnsel magnetische inductie ook in andere apparaten gebruikt. Bijvoorbeeld in treinen met magnetische levitatie, die zich voortbewegen zonder direct contact met de stroom in de rails, maar enkele centimeters hoger door elektromagnetische afstoting.
Verwante artikelen:
