Den här handledningen förklarar begreppet induktiv EMF och när det uppstår. Vi kommer också att titta på induktansen som en nyckelparameter för uppkomsten av magnetiskt flöde när ett elektriskt fält uppstår i en ledare.
Elektromagnetisk induktion är generering av elektrisk ström genom magnetfält som förändras med tiden. Tack vare Faradays och Lenz upptäckter formulerades regelbundenheterna till lagar, vilket innebar att symmetri infördes i förståelsen av elektromagnetiska flöden. Maxwells teori sammanförde kunskapen om elektrisk ström och magnetiska flöden. Genom Hertz upptäckter fick mänskligheten kunskap om telekommunikation.
Innehåll
Magnetiskt flöde
Ett elektromagnetiskt fält uppstår runt en ledare med elektrisk ström, men parallellt uppstår också det motsatta fenomenet, elektromagnetisk induktion. Ta det magnetiska flödet som exempel: Om en ledarram placeras i ett elektriskt fält med induktion och rör sig uppifrån och ned längs de magnetiska kraftlinjerna eller från höger till vänster vinkelrätt mot dem, kommer det magnetiska flödet genom ramen att vara konstant.
Om ramen roterar runt sin axel kommer det magnetiska flödet efter en viss tid att förändras med en viss mängd. Detta skapar en elektromagnetisk kraft i ramen och en elektrisk ström, som kallas induktionsström.
Induktiv EMF
Låt oss förstå begreppet induktiv EMF i detalj. När en ledare placeras i ett magnetfält och rör sig så att fältlinjerna korsar varandra uppstår en elektromotorisk kraft som kallas induktiv EMF i ledaren. Det inträffar också om ledaren står stilla och magnetfältet rör sig och skär fältlinjerna med ledaren.
När en ledare, där EMF genereras, kortsluts till en extern krets börjar en induktiv ström att flöda genom kretsen på grund av denna EMF. Elektromagnetisk induktion innebär fenomenet med induktion av EMF i en ledare i det ögonblick då den korsas av magnetfältlinjer.
Elektromagnetisk induktion är den omvända processen för omvandling av mekanisk energi till elektrisk ström. Detta begrepp och dess lagar används i stor utsträckning inom elektrotekniken och de flesta elektriska maskiner bygger på detta fenomen.
Faraday och Lenz
Faradays och Lenz' lagar utgör lagarna för elektromagnetisk induktion.
Faraday upptäckte att magnetiska effekter uppträder som ett resultat av förändringen av det magnetiska flödet över tiden. När en ledare korsas av en magnetisk växelström skapas en elektromotorisk kraft i ledaren, vilket resulterar i en elektrisk ström. Både en permanentmagnet och en elektromagnet kan generera ström.
Forskarna upptäckte att strömstyrkan ökar när antalet kraftledningar som korsar kretsen förändras snabbt. EMF vid elektromagnetisk induktion står i direkt relation till det magnetiska flödet.
Enligt Faradays lag definieras formeln för elektromagnetisk induktion EMF på följande sätt:
E = - dF/dt.
Minustecknet anger förhållandet mellan polariteten hos den inducerade elektromagnetiska kraften, flödets riktning och den förändrade hastigheten.
Enligt Lenz' lag är det möjligt att karakterisera den elektromotoriska kraften som en funktion av dess riktning. Varje förändring av det magnetiska flödet i spolen resulterar i en induktions EMF, med en ökande EMF när förändringen är snabb.
Om en spole med induktions-EMF är kortslutad till en extern krets, strömmar en induktionsström genom den, vilket skapar ett magnetfält runt ledaren och ger spolen egenskaperna av en solenoid. Som ett resultat bildas ett eget magnetfält runt spolen.
E.H. Lenz fastställde den lag enligt vilken induktionsströmmens riktning i spolen och induktionens EMF bestäms. Lagen säger att den induktiva elektromagnetiska kraften i spolen bildar en ström i spolen i den riktning i vilken spolens givna magnetiska flöde gör det möjligt att undvika en förändring av det yttre magnetiska flödet.
Lenz' lag gäller för alla situationer med induktion av elektriska strömmar i ledare, oavsett hur de är utformade eller hur man ändrar det yttre magnetfältet.
En tråds rörelse i ett magnetfält
Värdet av den inducerade EMF bestäms av längden på den ledare som genomkorsas av fältlinjerna. Med fler kraftlinjer ökar värdet av den inducerade EMF. När magnetfältet och induktionen ökar uppstår ett större värde av EMF i ledaren. Värdet av EMF i en ledare som rör sig i ett magnetfält är alltså direkt relaterat till magnetfältets induktion, ledarens längd och hastighet.
Detta beroende återspeglas i formeln E = Blv, där E är den elektromagnetiska induktionskraften, B är värdet av den magnetiska induktionen, I är ledarens längd och v är hastigheten för dess rörelse.
Observera att i en ledare som rör sig i ett magnetfält uppträder EMF-induktion endast när den korsar magnetfältets kraftlinjer. Om ledaren rör sig längs fältlinjerna induceras ingen elektromagnetisk kraft. Därför gäller formeln endast när ledarens rörelse är vinkelrät mot kraftlinjerna.
Riktningen för den inducerade EMF och den elektriska strömmen i ledaren bestäms av rörelseriktningen för ledaren själv. En högerregel har utvecklats för att avslöja riktningen. Om du håller höger handflata så att fältlinjerna går i dess riktning och tummen pekar i ledarens riktning, visar de återstående fyra fingrarna riktningen för den inducerade elektromagnetiska fältkraften och riktningen för den elektriska strömmen i ledaren.
Roterande spole
Funktionen hos en elektrisk strömgenerator bygger på rotationen av en spole i ett magnetiskt flöde, där det finns ett visst antal spolar. EMF induceras i en elektrisk krets alltid när den korsas av ett magnetiskt flöde, enligt formeln magnetiskt flöde F = B x S x cos α (magnetisk induktion multiplicerad med den yta som det magnetiska flödet passerar genom och cosinus av den vinkel som bildas av riktningsvektorn och den vinkel som är vinkelrät mot linjeplanet).
Enligt formeln påverkas F av förändringar i situationer:
- En förändring i det magnetiska flödet ändrar riktningsvektorn;
- Området som omges av kretsen förändras;
- vinkeln ändras.
Det är tillåtet att inducera en EMF när magneten är stationär eller strömmen är oförändrad, men bara genom att rotera spolen runt sin axel i magnetfältet. I det här fallet ändras det magnetiska flödet när vinkeln ändras. Spolen korsar de magnetiska flödeslinjerna när den roterar, vilket resulterar i en EMF. Vid jämn rotation sker en periodisk förändring av det magnetiska flödet. Även antalet kraftlinjer som korsas varje sekund blir lika många i lika långa tidsintervall.
I växelströmsgeneratorer står spolen stilla och elektromagneten roterar runt den.
Självinduktion EMF
När en elektrisk växelström passerar genom en spole skapas ett växlande magnetfält som kännetecknas av ett växlande magnetiskt flöde som inducerar en elektromagnetisk kraft. Detta fenomen kallas självinduktion.
Eftersom det magnetiska flödet är proportionellt mot den elektriska strömmens intensitet är formeln för självinducerande EMF följande:
F = L x I, där L är induktansen, som mäts i Gn. Dess värde bestäms av antalet varv per längdenhet och storleken på deras tvärsnittsarea.
Ömsesidig induktion
När två spolar placeras sida vid sida uppvisar de en EMF av ömsesidig induktion som bestäms av de två kretsarnas konfiguration och deras inbördes orientering. När separationen mellan kretsarna ökar minskar värdet på den ömsesidiga induktansen eftersom det magnetiska flödet som är gemensamt för de två spolarna minskar.
Låt oss titta närmare på hur ömsesidig induktion sker. Det finns två spolar, i den ena spolens tråd med N1 varv flyter en ström I1 som skapar ett magnetiskt flöde och går genom den andra spolen med N2 varv.
Värdet av den andra spolens ömsesidiga induktans i förhållande till den första spolen:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Värde för magnetiskt flöde:
F21 = (M21/N2) x I1.
Den inducerade EMF beräknas med hjälp av formeln:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
I den första spolen är värdet av den inducerade EMF:n:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Det är viktigt att notera att den elektromotoriska kraften som induceras av ömsesidig induktion i en av spolarna i alla fall är direkt proportionell mot förändringen av den elektriska strömmen i den andra spolen.
Den ömsesidiga induktansen antas då vara lika med:
M12 = M21 = M.
Följaktligen är E1 = - M x dI2/dt och E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), där K är kopplingsfaktorn mellan de två induktansvärdena.
Interinduktion används ofta i transformatorer, som ger möjlighet att ändra värdena för en elektrisk växelström. Anordningen består av ett par spolar som är lindade på en gemensam kärna. Strömmen i den första spolen bildar ett varierande magnetiskt flöde i den magnetiska kärnan och strömmen i den andra spolen. Med färre varv i den första spolen än i den andra spolen ökar spänningen, och motsvarande med fler varv i den första spolen minskar spänningen.
Förutom generering och omvandling av elektrisk energi används fenomenet magnetisk induktion i andra apparater. Till exempel i tåg med magnetisk levitation, som rör sig utan direkt kontakt med strömmen i rälsen, men ett par centimeter högre på grund av elektromagnetisk repulsion.
Relaterade artiklar:
