V materiálu pochopíme pojem indukce EMF v situacích jejího výskytu. Indukčnost považujeme také za klíčový parametr pro vznik magnetického toku, když se ve vodiči objeví elektrické pole.
Elektromagnetická indukce je generování elektrického proudu magnetickými poli, která se v čase mění. Díky objevům Faradaye a Lenze byly vzory formulovány do zákonitostí, které zavedly symetrii do chápání elektromagnetických toků. Maxwellova teorie spojila poznatky o elektrickém proudu a magnetických tocích. Díky objevu Hertze se lidstvo dozvědělo o telekomunikacích.
Obsah
magnetický tok
Kolem vodiče s elektrickým proudem vzniká elektromagnetické pole, paralelně však dochází i k opačnému jevu - elektromagnetické indukci.Uvažujme magnetický tok jako příklad: pokud je rám vodiče umístěn v elektrickém poli s indukcí a pohybuje se shora dolů podél magnetických siločar nebo doprava nebo doleva kolmo k nim, pak magnetický tok procházející rámem bude konstantní.
Když se rám otáčí kolem své osy, po chvíli se magnetický tok o určitou hodnotu změní. V důsledku toho se v rámu objeví EMF indukce a objeví se elektrický proud, který se nazývá indukce.
Indukce EMF
Podívejme se podrobně na to, co je koncept EMF indukce. Když je vodič umístěn v magnetickém poli a pohybuje se s průsečíkem siločar, objeví se ve vodiči elektromotorická síla nazývaná indukční EMF. K tomu také dochází, pokud vodič zůstane nehybný a magnetické pole se pohybuje a protíná siločáry vodiče.
Když se vodič, kde se vyskytuje emf, uzavře do vnějšího obvodu, v důsledku přítomnosti tohoto emf začne obvodem protékat indukční proud. Elektromagnetická indukce zahrnuje jev indukce EMF ve vodiči v okamžiku, kdy jej protínají magnetické siločáry.
Elektromagnetická indukce je obrácený proces přeměny mechanické energie na elektrický proud. Tento pojem a jeho zákonitosti jsou široce používány v elektrotechnice, většina elektrických strojů je založena na tomto jevu.
Faradayův a Lenzův zákon
Faradayovy a Lenzovy zákony odrážejí vzorce výskytu elektromagnetické indukce.
Faraday zjistil, že magnetické efekty se objevují v důsledku změn magnetického toku v průběhu času.V okamžiku křížení vodiče střídavým magnetickým proudem v něm vzniká elektromotorická síla, která vede ke vzniku elektrického proudu. Jak permanentní magnet, tak elektromagnet mohou generovat proud.
Vědec zjistil, že intenzita proudu se zvyšuje s rychlou změnou počtu siločar, které procházejí obvodem. To znamená, že EMF elektromagnetické indukce je přímo úměrná rychlosti magnetického toku.
Podle Faradayova zákona jsou vzorce indukčního EMF definovány takto:
E \u003d - dF / dt.
Znaménko mínus označuje vztah mezi polaritou indukovaného EMF, směrem toku a měnící se rychlostí.
Podle Lenzova zákona je možné charakterizovat elektromotorickou sílu v závislosti na jejím směru. Jakákoli změna magnetického toku v cívce vede ke vzniku EMF indukce a při rychlé změně je pozorováno rostoucí EMF.
Pokud má cívka, kde je EMF indukce, zkrat do vnějšího obvodu, pak přes ni protéká indukční proud, v důsledku čehož se kolem vodiče objeví magnetické pole a cívka získá vlastnosti solenoidu. . V důsledku toho se kolem cívky vytvoří magnetické pole.
E.Kh. Lenz stanovil vzor, podle kterého se určuje směr indukčního proudu v cívce a indukční EMF. Zákon říká, že indukční EMF v cívce při změně magnetického toku vytváří v cívce směrový proud, ve kterém daný magnetický tok cívky umožňuje vyhnout se změnám vnějšího magnetického toku.
Lenzův zákon platí pro všechny situace indukce elektrického proudu ve vodičích bez ohledu na jejich konfiguraci a způsob změny vnějšího magnetického pole.
Pohyb drátu v magnetickém poli
Hodnota indukovaného EMF je určena v závislosti na délce vodiče, kterou siločáry protínají. S větším počtem siločar roste hodnota indukovaného emf. S nárůstem magnetického pole a indukce dochází ve vodiči k větší hodnotě EMF. Hodnota EMF indukce ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli je tedy přímo závislá na indukci magnetického pole, délce vodiče a rychlosti jeho pohybu.
Tato závislost se odráží ve vzorci E = Blv, kde E je indukční emf; B je hodnota magnetické indukce; I je délka vodiče; v je rychlost jeho pohybu.
Všimněte si, že ve vodiči, který se pohybuje v magnetickém poli, se indukční EMF objeví pouze tehdy, když protne siločáry magnetického pole. Pokud se vodič pohybuje podél siločar, pak se neindukuje žádné EMF. Z tohoto důvodu platí vzorec pouze v případech, kdy pohyb vodiče směřuje kolmo na siločáry.
Směr indukovaného EMF a elektrického proudu ve vodiči je určen směrem pohybu samotného vodiče. Pro identifikaci směru bylo vyvinuto pravidlo pravé ruky. Pokud držíte dlaň pravé ruky tak, aby siločáry vstupovaly v jejím směru, a palec ukazuje směr pohybu vodiče, pak zbývající čtyři prsty ukazují směr indukovaného emf a směr elektrického proudu ve vodiči.
Rotující cívka
Fungování generátoru elektrického proudu je založeno na rotaci cívky v magnetickém toku, kde je určitý počet závitů. EMF se v elektrickém obvodu indukuje vždy, když je protnut magnetickým tokem, na základě vzorce magnetického toku Ф \u003d B x S x cos α (magnetická indukce vynásobená plochou, kterou magnetický tok prochází, a kosinus úhlu tvořeného směrovým vektorem a kolmými rovinnými přímkami).
Podle vzorce je F ovlivněn změnami v situacích:
- při změně magnetického toku se změní směrový vektor;
- oblast ohraničená obrysem se mění;
- změny úhlu.
Je dovoleno indukovat EMF stacionárním magnetem nebo konstantním proudem, ale jednoduše, když se cívka otáčí kolem své osy v magnetickém poli. V tomto případě se magnetický tok mění se změnou úhlu. Cívka v procesu rotace protíná siločáry magnetického toku, v důsledku toho se objeví EMF. Při rovnoměrném otáčení dochází k periodické změně magnetického toku. Také počet siločar, které se protnou každou sekundu, se v pravidelných intervalech rovná hodnotám.
V praxi u generátorů střídavého proudu zůstává cívka nehybná a elektromagnet se kolem ní otáčí.
Samoindukce EMF
Když cívkou prochází střídavý elektrický proud, vzniká střídavé magnetické pole, které se vyznačuje měnícím se magnetickým tokem, který indukuje EMF. Tento jev se nazývá samoindukce.
Vzhledem k tomu, že magnetický tok je úměrný intenzitě elektrického proudu, vypadá vzorec samoindukce EMF takto:
Ф = L x I, kde L je indukčnost, která se měří v H.Jeho hodnota je určena počtem závitů na jednotku délky a hodnotou jejich průřezu.
Vzájemná indukce
Když jsou dvě cívky umístěny vedle sebe, pozorují EMF vzájemné indukce, která je určena konfigurací dvou obvodů a jejich vzájemnou orientací. S rostoucím oddělením obvodů hodnota vzájemné indukčnosti klesá, protože dochází k poklesu celkového magnetického toku pro obě cívky.
Podívejme se podrobně na proces vzniku vzájemné indukce. Cívky jsou dvě, drátem jedné s N1 závity protéká proud I1, který vytváří magnetický tok a prochází druhou cívkou s počtem závitů N2.
Hodnota vzájemné indukčnosti druhé cívky ve vztahu k první:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Hodnota magnetického toku:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indukované emf se vypočítá podle vzorce:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dl1/dt.
V první cívce hodnota indukovaného emf:
El = - M12 x dl2/dt.
Je důležité si uvědomit, že elektromotorická síla vyvolaná vzájemnou indukcí v jedné z cívek je v každém případě přímo úměrná změně elektrického proudu ve druhé cívce.
Potom se vzájemná indukčnost považuje za rovnou:
M12 = M21 = M.
V důsledku toho El = - M x dl2/dt a E2 = M x dl/dt. M = K √ (L1 x L2), kde K je vazební koeficient mezi dvěma hodnotami indukčnosti.
Vzájemná indukčnost se hojně využívá u transformátorů, které umožňují měnit hodnotu střídavého elektrického proudu. Zařízení je dvojice cívek, které jsou navinuty na společném jádru. Proud v první cívce tvoří měnící se magnetický tok v magnetickém obvodu a proud ve druhé cívce.S menším počtem závitů v první cívce než ve druhé se napětí zvyšuje a podle toho s větším počtem závitů v prvním vinutí napětí klesá.
Kromě generování a transformace elektrické energie se fenomén magnetické indukce využívá i v dalších zařízeních. Například v magnetických levitačních vlacích pohybujících se bez přímého kontaktu s proudem v kolejích, ale o pár centimetrů výše kvůli elektromagnetickému odpuzování.
Podobné články:
