V tem članku bomo razumeli koncept induktivnega EMF v situacijah, kjer se pojavi. Ogledali si bomo tudi induktivnost kot ključni parameter za nastanek magnetnega pretoka ob pojavu električnega polja v prevodniku.
Elektromagnetna indukcija je ustvarjanje električnega toka s pomočjo magnetnih polj, ki se spreminjajo skozi čas. Zahvaljujoč odkritjem Faradaya in Lenza so bile pravilnosti oblikovane v zakone, ki so v razumevanje elektromagnetnih tokov vnesli simetrijo. Maxwellova teorija je združila znanje o električnem toku in magnetnih tokovih. Skozi Hertzova odkritja je človeštvo spoznalo telekomunikacije.
Vsebina
Magnetni tok
Okrog vodnika z električnim tokom se pojavi elektromagnetno polje, vzporedno pa se pojavi tudi nasprotni pojav, elektromagnetna indukcija. Vzemimo za primer magnetni tok: če okvir prevodnika postavimo v električno polje z indukcijo in ga premikamo od zgoraj navzdol vzdolž magnetnih silnic ali od desne proti levi pravokotno nanje, bo magnetni tok, ki poteka skozi okvir biti stalna vrednost.
Če se okvir vrti okoli svoje osi, se bo čez nekaj časa magnetni tok spremenil za določeno vrednost. Posledično se bo v okvirju pojavil EMF indukcije in pojavil se bo električni tok, ki se imenuje indukcijski tok.
EMF indukcije
Razumejmo podrobno, kaj je koncept induktivnega EMF. Ko je prevodnik postavljen v magnetno polje in se premika s križanjem silnic polja, se v prevodniku pojavi elektromotorna sila, imenovana induktivni EMF. Pojavi se tudi, če prevodnik miruje, magnetno polje pa se premika in prečka poljske črte z vodnikom.
Ko se vodnik, kjer se pojavi EMF, zapre v zunanji tokokrog, začne skozi tokokrog teči indukcijski tok zaradi prisotnosti tega EMF. Elektromagnetna indukcija vključuje pojav indukcije EMF v prevodniku v trenutku, ko ga prečkajo magnetne silnice.
Elektromagnetna indukcija je obratni proces pretvorbe mehanske energije v električni tok. Ta koncept in njegovi zakoni se pogosto uporabljajo v elektrotehniki, večina električnih strojev temelji na tem pojavu.
Faradayev in Lenzov zakon
Faradayev in Lenzov zakon prikazujeta vzorce elektromagnetne indukcije.
Faraday je razkril, da se magnetni učinki pojavijo kot posledica sprememb magnetnega toka skozi čas. V trenutku, ko vodnik prečka izmenični magnetni tok, se v prevodniku pojavi elektromotorna sila, posledica katere je električni tok. Tako trajni magnet kot elektromagnet lahko ustvarjata tok.
Znanstvenik je ugotovil, da se intenzivnost toka poveča s hitro spremembo števila električnih vodov, ki prečkajo vezje. To pomeni, da EMF elektromagnetne indukcije ostaja neposredno odvisen od hitrosti magnetnega pretoka.
Po Faradayevem zakonu so formule za indukcijo EMF opredeljene na naslednji način:
E = - dF/dt.
Znak "minus" označuje razmerje med polarnostjo induciranega EMF, smerjo toka in spreminjajočo se hitrostjo.
Po Lenzovem zakonu je mogoče karakterizirati elektromotorno silo glede na njeno smer. Vsaka sprememba magnetnega pretoka v tuljavi povzroči EMF indukcije, pri hitri spremembi pa EMF narašča.
Če je tuljava z indukcijskim EMF kratko povezana z zunanjim tokokrogom, potem skozi njo teče indukcijski tok, zaradi česar se okoli prevodnika pojavi magnetno polje in tuljava pridobi lastnosti solenoida. Posledično se okrog tuljave ustvari lastno magnetno polje.
E. H. Lenz je postavil zakon, po katerem sta določena smer indukcijskega toka v tuljavi in indukcijski EMF. Zakon določa, da EMF indukcije v tuljavi tvori tok v tuljavi v smeri, v kateri dani magnetni pretok tuljave omogoča izogibanje spremembi zunanjega magnetnega pretoka.
Lenzov zakon velja za vse situacije indukcije električnega toka v prevodnikih, ne glede na njihovo konfiguracijo ali način spreminjanja zunanjega magnetnega polja.
Gibanje žice v magnetnem polju
Vrednost induciranega EMF se določi glede na dolžino prevodnika, ki ga sekajo silnice. Če je silnic več, se vrednost induciranega EMF poveča. Ko se magnetno polje in indukcija povečata, se v prevodniku pojavi večja vrednost EMF. Tako je vrednost indukcije EMF v prevodniku, ki se giblje v magnetnem polju, neposredno odvisna od indukcije magnetnega polja, dolžine prevodnika in hitrosti njegovega gibanja.
Ta odvisnost se odraža v formuli E = Blv, kjer je E EMF indukcije; B je vrednost magnetne indukcije; I je dolžina vodnika; v je hitrost njegovega gibanja.
Upoštevajte, da se v prevodniku, ki se giblje v magnetnem polju, indukcijski EMF pojavi šele, ko prečka silnice magnetnega polja. Če se prevodnik premika vzdolž poljskih črt, se ne inducira EMF. Iz tega razloga formula velja le, če je gibanje prevodnika usmerjeno pravokotno na silnice.
Smer induciranega EMF in električnega toka v prevodniku je določena s smerjo samega prevodnika. Za razkrivanje smeri je bilo razvito pravilo desne roke. Če držite dlan desne roke tako, da poljske črte vstopijo v njeno smer, palec pa kaže smer gibanja prevodnika, potem ostali štirje prsti kažejo smer induciranega EMF in smer električnega toka v dirigent.
Vrtljiva tuljava
Delovanje generatorja električnega toka temelji na vrtenju tuljave v magnetnem toku, kjer je določeno število ovojev. EMF se inducira v električnem tokokrogu vedno, ko ga prečka magnetni tok, ki temelji na formuli magnetni pretok F = B x S x cos α (magnetna indukcija, pomnožena s površino, skozi katero prehaja magnetni tok, in kosinus oblikovanega kota s smernim vektorjem in pravokotno na ravnino premice).
Po formuli na F vplivajo spremembe situacij:
- vektor smeri se spremeni, ko se spremeni magnetni tok;
- spremeni se območje, ki ga obkroža vezje;
- kot se spreminja.
Dovoljeno je inducirati EMF, ko magnet miruje ali je tok nespremenjen, ampak preprosto, ko se tuljava vrti okoli svoje osi znotraj magnetnega polja. V tem primeru se magnetni pretok spreminja s spreminjanjem vrednosti kota. Tuljava med vrtenjem prečka silnice magnetnega pretoka, kar povzroči EMF. Pri enakomernem vrtenju pride do periodične spremembe magnetnega pretoka.Tudi število silnic, ki se prečkajo vsako sekundo, se v enakih časovnih intervalih izenači.
V praksi pri alternatorjih tuljava miruje, elektromagnet pa se vrti okoli nje.
EMF samoindukcije
Ko izmenični električni tok teče skozi tuljavo, nastane izmenično magnetno polje, za katerega je značilno spreminjanje magnetnega toka, ki inducira EMF. Ta pojav imenujemo samoindukcija.
Ker je magnetni pretok sorazmeren z jakostjo električnega toka, je formula za EMF samoindukcije naslednja:
F = L x I, kjer je L induktivnost, ki se meri v Gn. Njegova vrednost je določena s številom zavojev na enoto dolžine in velikostjo njihovega preseka.
Medsebojna indukcija
Ko sta dve tuljavi postavljeni ena poleg druge, pride do EMF medsebojne indukcije, ki je določena s konfiguracijo obeh tokokrogov in njuno medsebojno orientacijo. Ko se ločitev tokokroga poveča, se vrednost medsebojne induktivnosti zmanjša, ker se zmanjša magnetni tok, ki je skupen obema tuljavama.
Podrobneje razmislimo o procesu medsebojne indukcije. Tuljavi sta dve, po žici ene z N1 ovoji teče tok I1, ki ustvarja magnetni pretok in gre skozi drugo tuljavo z N2 ovojev.
Vrednost medsebojne induktivnosti druge tuljave glede na prvo:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Vrednost magnetnega pretoka:
F21 = (M21/N2) x I1.
Inducirani EMF se izračuna po formuli:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
V prvi tuljavi je vrednost induciranega EMF:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Pomembno je opozoriti, da je elektromotorna sila, inducirana z medsebojno indukcijo v eni od tuljav, v vsakem primeru neposredno sorazmerna s spremembo električnega toka v drugi tuljavi.
Medsebojna induktivnost se potem šteje za enako:
M12 = M21 = M.
Posledično je E1 = - M x dI2/dt in E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), kjer je K sklopitveni faktor med obema vrednostma induktivnosti.
Interindukcija se pogosto uporablja v transformatorjih, ki dajejo možnost spreminjanja vrednosti izmeničnega električnega toka. Naprava je par tuljav, ki sta navita na skupno jedro. Tok v prvi tuljavi tvori spreminjajoči se magnetni pretok v magnetnem jedru in tok v drugi tuljavi. Z manjšim številom ovojev v prvi tuljavi kot v drugi tuljavi se napetost poveča, in temu primerno z več ovoji v prvi tuljavi se napetost zmanjša.
Poleg ustvarjanja in transformacije električne energije se pojav magnetne indukcije uporablja v drugih napravah. Na primer v vlakih z magnetno levitacijo, ki se premikajo brez neposrednega stika s tokom v tirnicah, vendar nekaj centimetrov višje zaradi elektromagnetnega odbijanja.
Povezani članki:
