V tomto učebnom texte vysvetlíme pojem indukčného elektromagnetického poľa a jeho výskyt. Budeme sa tiež zaoberať indukčnosťou ako kľúčovým parametrom pre vznik magnetického toku, keď sa vo vodiči objaví elektrické pole.
Elektromagnetická indukcia je generovanie elektrického prúdu magnetickým poľom, ktoré sa mení v čase. Vďaka objavom Faradaya a Lenza boli zákonitosti sformulované do zákonov, ktoré do chápania elektromagnetických tokov vniesli symetriu. Maxwellova teória spojila poznatky o elektrickom prúde a magnetických tokoch. Vďaka Hertzovým objavom sa ľudstvo dozvedelo o telekomunikáciách.
Obsah
Magnetický tok
Okolo vodiča s elektrickým prúdom vzniká elektromagnetické pole, ale paralelne sa vyskytuje aj opačný jav, elektromagnetická indukcia. Uvažujme ako príklad magnetický tok: ak je rám vodiča umiestnený v elektrickom poli s indukciou a pohybuje sa zhora nadol pozdĺž magnetických siločiar alebo sprava doľava kolmo na ne, potom magnetický tok prechádzajúci rámom bude mať konštantnú hodnotu.
Ak sa rám otáča okolo svojej osi, magnetický tok sa po určitom čase o určitú hodnotu zmení. Tým sa v ráme vytvorí EMP a elektrický prúd, ktorý sa nazýva indukčný prúd.
Indukčné EMF
Poďme si podrobne vysvetliť pojem indukčného EMP. Keď je vodič umiestnený v magnetickom poli a pohybuje sa s križujúcimi sa siločiarami poľa, vzniká vo vodiči elektromotorická sila nazývaná indukčné EMF. Nastáva aj vtedy, ak vodič zostáva nehybný a magnetické pole sa pohybuje a pretína siločiary s vodičom.
Keď je vodič, v ktorom vzniká EMP, skratovaný s vonkajším obvodom, začne obvodom v dôsledku prítomnosti tohto EMP pretekať indukčný prúd. Elektromagnetická indukcia zahŕňa jav indukcie EMP vo vodiči v okamihu, keď ho pretínajú magnetické siločiary.
Elektromagnetická indukcia je inverzný proces premeny mechanickej energie na elektrický prúd. Tento koncept a jeho zákony sa v elektrotechnike široko používajú a väčšina elektrických strojov je na tomto jave založená.
Faraday a Lenz
Faradayove a Lenzove zákony predstavujú zákony elektromagnetickej indukcie.
Faraday odhalil, že magnetické javy sa objavujú v dôsledku zmeny magnetického toku v čase. V okamihu, keď vodičom prechádza striedavý magnetický prúd, vzniká vo vodiči elektromotorická sila, ktorej výsledkom je elektrický prúd. Permanentný magnet aj elektromagnet môžu generovať prúd.
Vedec zistil, že intenzita prúdu sa zvyšuje, keď sa počet elektrických vedení, ktoré prechádzajú cez obvod, rýchlo mení. EMF elektromagnetickej indukcie je v priamom vzťahu k magnetickému toku.
Podľa Faradayovho zákona je vzorec pre elektromagnetickú indukciu EMF definovaný takto:
E = - dF/dt.
Znamienko mínus označuje vzťah medzi polaritou indukovaného EMP, smerom toku a meniacou sa rýchlosťou.
Podľa Lenzovho zákona je možné charakterizovať elektromotorickú silu ako funkciu jej smeru. Akákoľvek zmena magnetického toku v cievke má za následok indukčný EMP, pričom pri rýchlej zmene dochádza k nárastu EMP.
Ak je cievka s indukčným EMF skratovaná s vonkajším obvodom, potom ňou preteká indukčný prúd, ktorý spôsobuje magnetické pole okolo vodiča a dáva cievke vlastnosti solenoidu. V dôsledku toho sa okolo cievky vytvára vlastné magnetické pole.
E. H. Lenz stanovil zákon, podľa ktorého sa určuje smer indukčného prúdu v cievke a EMF indukcie. Zákon hovorí, že indukčné EMP v cievke vytvára v cievke prúd v smere, v ktorom daný magnetický tok cievky umožňuje zabrániť zmene cudzieho magnetického toku.
Lenzov zákon platí pre všetky situácie indukcie elektrického prúdu vo vodičoch bez ohľadu na ich konfiguráciu alebo spôsob zmeny vonkajšieho magnetického poľa.
Pohyb drôtu v magnetickom poli
Hodnota indukovaného EMP sa určuje podľa dĺžky vodiča, ktorým prechádzajú siločiary. S väčším počtom siločiar sa hodnota indukovaného EMF zvyšuje. S rastúcim magnetickým poľom a indukciou vzniká vo vodiči väčšia hodnota EMF. Hodnota EMF vo vodiči pohybujúcom sa v magnetickom poli teda priamo súvisí s indukciou magnetického poľa, dĺžkou vodiča a jeho rýchlosťou.
Táto závislosť je vyjadrená vo vzorci E = Blv, kde E je indukčné EMP; B je hodnota magnetickej indukcie; I je dĺžka vodiča; v je rýchlosť jeho pohybu.
Všimnite si, že vo vodiči pohybujúcom sa v magnetickom poli sa indukcia EMP objaví len vtedy, keď pretína siločiary magnetického poľa. Ak sa vodič pohybuje pozdĺž siločiar, neindukuje sa žiadne EMP. Z tohto dôvodu platí vzorec len vtedy, keď je pohyb vodiča kolmý na siločiary.
Smer indukovaného EMP a elektrického prúdu vo vodiči je určený smerom pohybu samotného vodiča. Na odhalenie smeru bolo vyvinuté pravidlo pravej ruky. Ak držíte dlaň pravej ruky tak, že siločiary poľa vstupujú do jej smeru a palec ukazuje v smere vodiča, potom zvyšné štyri prsty ukazujú smer indukovaného EMP a smer elektrického prúdu vo vodiči.
Rotačná cievka
Funkcia generátora elektrického prúdu je založená na otáčaní cievky v magnetickom toku, kde je určitý počet cievok. EMP sa indukuje v elektrickom obvode vždy, keď ním prechádza magnetický tok, a to na základe vzorca magnetický tok F = B x S x cos α (magnetická indukcia vynásobená plochou, ktorou magnetický tok prechádza, a kosínusom uhla, ktorý tvorí smerový vektor a kolmica na rovinu vedenia).
Podľa vzorca F je ovplyvnený zmenami situácií:
- zmena magnetického toku mení smerový vektor;
- sa zmení oblasť uzavretá obvodom;
- uhol sa zmení.
Je prípustné indukovať EMP, keď je magnet nehybný alebo keď sa prúd nemení, ale jednoducho otáčaním cievky okolo jej osi v magnetickom poli. V tomto prípade sa magnetický tok mení so zmenou uhla. Cievka pri otáčaní pretína magnetické indukčné čiary, čím vzniká EMP. Pri rovnomernej rotácii dochádza k periodickej zmene magnetického toku. Aj počet siločiar, ktoré sa každú sekundu pretnú, sa v rovnakých časových intervaloch vyrovná.
V praxi zostáva v generátoroch striedavého prúdu cievka nehybná a elektromagnet sa otáča okolo nej.
Samoindukčné EMP
Keď cievkou prechádza striedavý elektrický prúd, vytvára sa striedavé magnetické pole charakterizované meniacim sa magnetickým tokom, ktorý indukuje EMP. Tento jav sa nazýva samoindukcia.
Keďže magnetický tok je úmerný intenzite elektrického prúdu, vzorec pre samoindukčné EMP je potom nasledovný:
F = L x I, kde L je indukčnosť, ktorá sa meria v Gn. Jeho hodnota je určená počtom závitov na jednotku dĺžky a veľkosťou ich prierezu.
Vzájomná indukcia
Keď sú dve cievky umiestnené vedľa seba, vykazujú EMP vzájomnej indukcie, ktorá je daná konfiguráciou oboch obvodov a ich vzájomnou orientáciou. S rastúcou vzdialenosťou obvodov klesá hodnota vzájomnej indukčnosti, pretože sa znižuje magnetický tok zdieľaný oboma cievkami.
Pozrime sa bližšie na to, ako dochádza k vzájomnej indukcii. Sú tu dve cievky, na vodiči jednej s počtom závitov N1 tečie prúd I1, ktorý vytvára magnetický tok a prechádza druhou cievkou s počtom závitov N2.
Hodnota vzájomnej indukčnosti druhej cievky vo vzťahu k prvej cievke:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Hodnota magnetického toku:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indukované EMP sa vypočíta podľa vzorca:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
V prvej cievke je hodnota indukovaného EMF:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Je dôležité poznamenať, že elektromotorická sila vyvolaná vzájomnou indukciou v jednej z cievok je v každom prípade priamo úmerná zmene elektrického prúdu v druhej cievke.
Potom sa predpokladá, že vzájomná indukčnosť sa rovná:
M12 = M21 = M.
V dôsledku toho E1 = - M x dI2/dt a E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), kde K je spojovací faktor medzi dvoma hodnotami indukčnosti.
Interindukcia sa široko používa v transformátoroch, ktoré umožňujú meniť hodnoty striedavého elektrického prúdu. Zariadenie tvorí dvojica cievok navinutých na spoločnom jadre. Prúd v prvej cievke vytvára premenlivý magnetický tok v magnetickom jadre a prúd v druhej cievke. Pri menšom počte závitov v prvej cievke ako v druhej cievke sa napätie zvyšuje a naopak pri väčšom počte závitov v prvej cievke sa napätie znižuje.
Okrem výroby a transformácie elektrickej energie sa jav magnetickej indukcie využíva aj v iných zariadeniach. Napríklad v magnetických levitačných vlakoch, ktoré sa pohybujú bez priameho kontaktu s prúdom v koľajniciach, ale o niekoľko centimetrov vyššie vďaka elektromagnetickému odpudzovaniu.
Súvisiace články:
