Στο υλικό, θα κατανοήσουμε την έννοια της επαγωγής EMF σε καταστάσεις εμφάνισής της. Θεωρούμε επίσης την επαγωγή ως βασική παράμετρο για την εμφάνιση μαγνητικής ροής όταν εμφανίζεται ηλεκτρικό πεδίο σε έναν αγωγό.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από μαγνητικά πεδία που αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Χάρη στις ανακαλύψεις των Faraday και Lenz, τα μοτίβα διατυπώθηκαν σε νόμους, οι οποίοι εισήγαγαν συμμετρία στην κατανόηση των ηλεκτρομαγνητικών ροών. Η θεωρία του Maxwell συγκέντρωσε γνώσεις σχετικά με το ηλεκτρικό ρεύμα και τις μαγνητικές ροές. Χάρη στην ανακάλυψη του Hertz, η ανθρωπότητα έμαθε για τις τηλεπικοινωνίες.
Περιεχόμενο
μαγνητική ροή
Ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εμφανίζεται γύρω από έναν αγωγό με ηλεκτρικό ρεύμα, ωστόσο, παράλληλα, συμβαίνει και το αντίθετο φαινόμενο - ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.Εξετάστε τη μαγνητική ροή ως παράδειγμα: εάν ένα πλαίσιο αγωγού τοποθετηθεί σε ένα ηλεκτρικό πεδίο με επαγωγή και μετακινηθεί από πάνω προς τα κάτω κατά μήκος γραμμών μαγνητικού πεδίου ή δεξιά ή αριστερά κάθετα σε αυτές, τότε η μαγνητική ροή που διέρχεται από το πλαίσιο θα είναι συνεχής.
Όταν το πλαίσιο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, τότε μετά από λίγο η μαγνητική ροή θα αλλάξει κατά ένα ορισμένο ποσό. Ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα EMF επαγωγής στο πλαίσιο και εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο ονομάζεται επαγωγή.
Επαγωγή EMF
Ας εξετάσουμε λεπτομερώς ποια είναι η έννοια του EMF επαγωγής. Όταν ένας αγωγός τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο και κινείται με την τομή των γραμμών του πεδίου, εμφανίζεται μια ηλεκτροκινητική δύναμη στον αγωγό που ονομάζεται EMF επαγωγής. Συμβαίνει επίσης εάν ο αγωγός παραμένει ακίνητος και το μαγνητικό πεδίο κινείται και τέμνεται με τις γραμμές δύναμης του αγωγού.
Όταν ο αγωγός, όπου εμφανίζεται το emf, κλείνει στο εξωτερικό κύκλωμα, λόγω της παρουσίας αυτού του emf, ένα ρεύμα επαγωγής αρχίζει να ρέει μέσω του κυκλώματος. Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή περιλαμβάνει το φαινόμενο της επαγωγής EMF σε έναν αγωγό τη στιγμή που διασχίζεται από γραμμές μαγνητικού πεδίου.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η αντίστροφη διαδικασία μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η έννοια και οι νόμοι της χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρική μηχανική, οι περισσότερες ηλεκτρικές μηχανές βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο.
Νόμοι Faraday και Lenz
Οι νόμοι του Faraday και του Lenz αντικατοπτρίζουν τα μοτίβα εμφάνισης της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Ο Faraday διαπίστωσε ότι τα μαγνητικά φαινόμενα εμφανίζονται ως αποτέλεσμα των αλλαγών στη μαγνητική ροή με την πάροδο του χρόνου.Τη στιγμή της διέλευσης του αγωγού με ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό ρεύμα, εμφανίζεται μια ηλεκτροκινητική δύναμη, η οποία οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικού ρεύματος. Τόσο ένας μόνιμος μαγνήτης όσο και ένας ηλεκτρομαγνήτης μπορούν να παράγουν ρεύμα.
Ο επιστήμονας προσδιόρισε ότι η ένταση του ρεύματος αυξάνεται με μια γρήγορη αλλαγή στον αριθμό των γραμμών δύναμης που διασχίζουν το κύκλωμα. Δηλαδή, το EMF της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι σε ευθεία αναλογία με την ταχύτητα της μαγνητικής ροής.
Σύμφωνα με το νόμο του Faraday, οι τύποι EMF επαγωγής ορίζονται ως εξής:
E \u003d - dF / dt.
Το σύμβολο μείον υποδεικνύει τη σχέση μεταξύ της πολικότητας του επαγόμενου EMF, της κατεύθυνσης της ροής και της μεταβαλλόμενης ταχύτητας.
Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, είναι δυνατός ο χαρακτηρισμός της ηλεκτροκινητικής δύναμης ανάλογα με την κατεύθυνσή της. Οποιαδήποτε αλλαγή στη μαγνητική ροή στο πηνίο οδηγεί στην εμφάνιση ενός EMF επαγωγής και με μια γρήγορη αλλαγή, παρατηρείται αυξανόμενο EMF.
Εάν το πηνίο, όπου υπάρχει EMF επαγωγής, έχει βραχυκύκλωμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, τότε ένα ρεύμα επαγωγής ρέει μέσα από αυτό, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον αγωγό και το πηνίο αποκτά τις ιδιότητες ενός σωληνοειδούς . Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο.
Η Ε.Χ. Ο Lenz καθιέρωσε ένα σχέδιο σύμφωνα με το οποίο προσδιορίζεται η κατεύθυνση του ρεύματος επαγωγής στο πηνίο και το EMF επαγωγής. Ο νόμος ορίζει ότι το επαγωγικό EMF στο πηνίο, όταν αλλάζει η μαγνητική ροή, σχηματίζει ένα κατευθυντικό ρεύμα στο πηνίο, στο οποίο η δεδομένη μαγνητική ροή του πηνίου καθιστά δυνατή την αποφυγή αλλαγών στην εξωτερική μαγνητική ροή.
Ο νόμος του Lenz ισχύει για όλες τις καταστάσεις επαγωγής ηλεκτρικού ρεύματος σε αγωγούς, ανεξάρτητα από τη διαμόρφωσή τους και τη μέθοδο αλλαγής του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Η κίνηση ενός σύρματος σε μαγνητικό πεδίο
Η τιμή του επαγόμενου EMF καθορίζεται ανάλογα με το μήκος του αγωγού που διασχίζεται από τις γραμμές πεδίου δύναμης. Με μεγαλύτερο αριθμό γραμμών πεδίου, η τιμή του επαγόμενου emf αυξάνεται. Με την αύξηση του μαγνητικού πεδίου και της επαγωγής, εμφανίζεται μεγαλύτερη τιμή EMF στον αγωγό. Έτσι, η τιμή του EMF επαγωγής σε έναν αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο εξαρτάται άμεσα από την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου, το μήκος του αγωγού και την ταχύτητα της κίνησής του.
Αυτή η εξάρτηση αντικατοπτρίζεται στον τύπο E = Blv, όπου E είναι το επαγωγικό emf. B είναι η τιμή της μαγνητικής επαγωγής. I είναι το μήκος του αγωγού. v είναι η ταχύτητα της κίνησής του.
Σημειώστε ότι σε έναν αγωγό που κινείται σε μαγνητικό πεδίο, το επαγωγικό EMF εμφανίζεται μόνο όταν διασχίζει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου. Εάν ο αγωγός κινείται κατά μήκος των γραμμών δύναμης, τότε δεν προκαλείται EMF. Για το λόγο αυτό, ο τύπος ισχύει μόνο σε περιπτώσεις όπου η κίνηση του αγωγού κατευθύνεται κάθετα στις γραμμές δύναμης.
Η κατεύθυνση του επαγόμενου EMF και του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό καθορίζεται από την κατεύθυνση κίνησης του ίδιου του αγωγού. Για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης, έχει αναπτυχθεί ο κανόνας του δεξιού χεριού. Εάν κρατάτε την παλάμη του δεξιού σας χεριού έτσι ώστε οι γραμμές πεδίου να εισέρχονται προς την κατεύθυνσή του και ο αντίχειρας δείχνει την κατεύθυνση κίνησης του αγωγού, τότε τα υπόλοιπα τέσσερα δάχτυλα δείχνουν την κατεύθυνση του επαγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος και την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στον μαέστρο.
Περιστρεφόμενο πηνίο
Η λειτουργία της γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος βασίζεται στην περιστροφή του πηνίου σε μια μαγνητική ροή, όπου υπάρχει ένας ορισμένος αριθμός στροφών. Το EMF επάγεται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα πάντα όταν διασχίζεται από μαγνητική ροή, με βάση τον τύπο μαγνητικής ροής Ф \u003d B x S x cos α (μαγνητική επαγωγή πολλαπλασιαζόμενη με την επιφάνεια από την οποία διέρχεται η μαγνητική ροή και το συνημίτονο της γωνίας που σχηματίζεται από το διάνυσμα κατεύθυνσης και τις κάθετες επίπεδες γραμμές).
Σύμφωνα με τον τύπο, το F επηρεάζεται από αλλαγές στις καταστάσεις:
- όταν αλλάζει η μαγνητική ροή, αλλάζει το διάνυσμα κατεύθυνσης.
- η περιοχή που περικλείεται στο περίγραμμα αλλάζει.
- αλλαγές γωνίας.
Επιτρέπεται η επαγωγή EMF με σταθερό μαγνήτη ή σταθερό ρεύμα, αλλά απλά όταν το πηνίο περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του εντός του μαγνητικού πεδίου. Σε αυτή την περίπτωση, η μαγνητική ροή αλλάζει καθώς αλλάζει η γωνία. Το πηνίο κατά τη διαδικασία περιστροφής διασχίζει τις γραμμές δύναμης της μαγνητικής ροής, ως αποτέλεσμα, εμφανίζεται ένα EMF. Με ομοιόμορφη περιστροφή, εμφανίζεται μια περιοδική αλλαγή στη μαγνητική ροή. Επίσης, ο αριθμός των γραμμών πεδίου που διασχίζουν κάθε δευτερόλεπτο γίνεται ίσος με τις τιμές σε τακτά χρονικά διαστήματα.
Στην πράξη, στις γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος, το πηνίο παραμένει ακίνητο και ο ηλεκτρομαγνήτης περιστρέφεται γύρω του.
Αυτο-επαγωγή EMF
Όταν ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πηνίο, δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο χαρακτηρίζεται από μια μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή που προκαλεί ένα EMF. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται αυτοεπαγωγή.
Λόγω του γεγονότος ότι η μαγνητική ροή είναι ανάλογη με την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος, τότε ο τύπος EMF αυτοεπαγωγής μοιάζει με αυτό:
Ф = L x I, όπου L είναι η αυτεπαγωγή, η οποία μετράται σε H.Η τιμή του καθορίζεται από τον αριθμό των στροφών ανά μονάδα μήκους και την τιμή της διατομής τους.
Αμοιβαία επαγωγή
Όταν δύο πηνία βρίσκονται δίπλα-δίπλα, παρατηρούν το EMF αμοιβαίας επαγωγής, το οποίο καθορίζεται από τη διαμόρφωση των δύο κυκλωμάτων και τον αμοιβαίο προσανατολισμό τους. Με την αύξηση του διαχωρισμού των κυκλωμάτων, η τιμή της αμοιβαίας επαγωγής μειώνεται, καθώς υπάρχει μείωση της συνολικής μαγνητικής ροής για τα δύο πηνία.
Ας εξετάσουμε λεπτομερώς τη διαδικασία της εμφάνισης της αμοιβαίας επαγωγής. Υπάρχουν δύο πηνία, το ρεύμα I1 ρέει μέσα από το σύρμα του ενός με στροφές N1, το οποίο δημιουργεί μια μαγνητική ροή και περνάει από το δεύτερο πηνίο με N2 αριθμό στροφών.
Η τιμή της αμοιβαίας αυτεπαγωγής του δεύτερου πηνίου σε σχέση με το πρώτο:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Τιμή μαγνητικής ροής:
F21 = (M21/N2) x I1.
Το επαγόμενο emf υπολογίζεται από τον τύπο:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
Στο πρώτο πηνίο, η τιμή του επαγόμενου emf:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται από την αμοιβαία επαγωγή σε ένα από τα πηνία είναι σε κάθε περίπτωση ευθέως ανάλογη με τη μεταβολή του ηλεκτρικού ρεύματος στο άλλο πηνίο.
Τότε η αμοιβαία επαγωγή θεωρείται ίση με:
M12 = M21 = M.
Κατά συνέπεια, E1 = - M x dI2/dt και E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), όπου K είναι ο συντελεστής σύζευξης μεταξύ των δύο τιμών επαγωγής.
Η αμοιβαία επαγωγή χρησιμοποιείται ευρέως σε μετασχηματιστές, οι οποίοι καθιστούν δυνατή την αλλαγή της τιμής ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος. Η συσκευή είναι ένα ζευγάρι πηνίων που τυλίγονται σε έναν κοινό πυρήνα. Το ρεύμα στο πρώτο πηνίο σχηματίζει μια μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή στο μαγνητικό κύκλωμα και ένα ρεύμα στο δεύτερο πηνίο.Με λιγότερες στροφές στο πρώτο πηνίο από ό,τι στο δεύτερο, η τάση αυξάνεται και κατά συνέπεια, με μεγαλύτερο αριθμό στροφών στην πρώτη περιέλιξη, η τάση μειώνεται.
Εκτός από την παραγωγή και τη μετατροπή ηλεκτρικής ενέργειας, το φαινόμενο της μαγνητικής επαγωγής χρησιμοποιείται και σε άλλες συσκευές. Για παράδειγμα, στα τρένα μαγνητικής αιώρησης που κινούνται χωρίς άμεση επαφή με το ρεύμα στις ράγες, αλλά μερικά εκατοστά υψηλότερα λόγω ηλεκτρομαγνητικής απώθησης.
Παρόμοια άρθρα:
