Šioje pamokoje paaiškinama indukcinio elektromagnetinio lauko sąvoka ir jo atsiradimo atvejai. Taip pat nagrinėsime induktyvumą kaip pagrindinį parametrą, lemiantį magnetinio srauto atsiradimą, kai laidininke atsiranda elektrinis laukas.
Elektromagnetinė indukcija - tai elektros srovės susidarymas dėl laikui bėgant kintančių magnetinių laukų. Faradėjaus ir Lenco atradimų dėka dėsningumai buvo suformuluoti į dėsnius, kurie įvedė simetriją į elektromagnetinių srautų supratimą. Maksvelo teorija sujungė žinias apie elektros srovę ir magnetinius srautus. Hertzo atradimų dėka žmonija sužinojo apie telekomunikacijas.
Turinys
Magnetinis srautas
Elektromagnetinis laukas atsiranda aplink laidininką, kuriuo teka elektros srovė, tačiau lygiagrečiai vyksta ir priešingas reiškinys - elektromagnetinė indukcija. Kaip pavyzdį galima pateikti magnetinį srautą: jei laidininko rėmelis yra indukciniame elektriniame lauke ir judinamas iš viršaus į apačią išilgai magnetinių jėgų linijų arba iš dešinės į kairę statmenai joms, magnetinis srautas per rėmelį bus pastovus.
Jei rėmas sukasi aplink savo ašį, po tam tikro laiko magnetinis srautas pasikeis tam tikru dydžiu. Dėl to rėme susidaro elektromagnetinis laukas ir elektros srovė, kuri vadinama indukcine srove.
Indukcinis elektromagnetinis laukas
Išsamiau supraskime indukcinio EML sąvoką. Kai laidininkas patenka į magnetinį lauką ir juda susikertant lauko linijoms, laidininke atsiranda elektromagnetinė jėga, vadinama indukciniu elektromagnetiniu lauku. Jis taip pat atsiranda, jei laidininkas nejuda, o magnetinis laukas juda ir kerta lauko linijas su laidininku.
Kai laidininkas, kuriame susidaro elektromagnetinis laukas, trumpai sujungiamas su išorine grandine, dėl šio EML grandine pradeda tekėti indukcinė srovė. Elektromagnetinė indukcija - tai elektromagnetinio lauko indukcijos reiškinys, kai laidininką kerta magnetinio lauko linijos.
Elektromagnetinė indukcija yra atvirkštinis mechaninės energijos virtimo elektros srove procesas. Ši sąvoka ir jos dėsniai plačiai naudojami elektrotechnikoje, o dauguma elektros mašinų yra pagrįstos šiuo reiškiniu.
Faradėjus ir Lenzas
Faradėjaus ir Lenco dėsniai yra elektromagnetinės indukcijos dėsniai.
Faradėjus atskleidė, kad magnetiniai reiškiniai atsiranda dėl magnetinio srauto kitimo laikui bėgant. Kai laidininką kerta kintamoji magnetinė srovė, laidininke susidaro elektromagnetinė jėga, todėl atsiranda elektros srovė. Tiek nuolatinis magnetas, tiek elektromagnetas gali generuoti srovę.
Mokslininkas nustatė, kad srovės stiprumas didėja, kai sparčiai keičiasi grandinę kertančių elektros linijų skaičius. Elektromagnetinės indukcijos EMP tiesiogiai priklauso nuo magnetinio srauto.
Pagal Faradėjaus dėsnį elektromagnetinės indukcijos formulė EMF apibrėžiama taip:
E = - dF/dt.
Minuso ženklas rodo ryšį tarp indukuoto elektromagnetinio lauko poliškumo, srauto krypties ir kintančio greičio.
Remiantis Lenco dėsniu, elektromagnetinę jėgą galima apibūdinti kaip jos krypties funkciją. Bet koks magnetinio srauto pokytis ritėje sukelia indukcijos EMP, o kai pokytis greitas, EMP didėja.
Jei ritė su indukciniu elektromagnetiniu lauku yra trumpai sujungta su išorine grandine, per ją teka indukcijos srovė, kuri sukuria magnetinį lauką aplink laidininką ir suteikia ritei solenoido savybes. Dėl to aplink ritę susidaro savitas magnetinis laukas.
E. H. Lenzas nustatė dėsnį, pagal kurį nustatoma indukcinės srovės kryptis ritėje ir indukcijos EMP. Dėsnis teigia, kad indukcinis elektromagnetinis laukas ritėje sukuria srovę ta kryptimi, kuria ritės magnetinis srautas leidžia išvengti pašalinio magnetinio srauto pokyčio.
Lenco dėsnis taikomas visais elektros srovės indukcijos laidininkuose atvejais, nepriklausomai nuo jų konfigūracijos ar išorinio magnetinio lauko keitimo būdo.
Laido judėjimas magnetiniame lauke
Indukuotojo EML vertė nustatoma pagal lauko linijų kertamo laidininko ilgį. Esant daugiau jėgos linijų, didėja indukuotojo EML vertė. Didėjant magnetiniam laukui ir indukcijai, laidininke susidaro didesnė elektromagnetinio lauko vertė. Taigi magnetiniame lauke judančio laidininko EMP vertė tiesiogiai priklauso nuo magnetinio lauko indukcijos, laidininko ilgio ir jo greičio.
Šią priklausomybę atspindi formulė E = Blv, kur E - indukcijos EMP; B - magnetinės indukcijos vertė; I - laidininko ilgis; v - jo judėjimo greitis.
Atkreipkite dėmesį, kad magnetiniame lauke judančiame laidininke EML indukcija atsiranda tik tada, kai jis kerta magnetinio lauko jėgų linijas. Jei laidininkas juda išilgai lauko linijų, elektromagnetinis laukas neindukuojamas. Dėl šios priežasties formulė taikoma tik tada, kai laidininko judėjimas yra statmenas jėgų linijoms.
Indukuoto EML ir elektros srovės laidininke kryptį lemia paties laidininko judėjimo kryptis. Šiai krypčiai atskleisti buvo sukurta dešiniosios rankos taisyklė. Jei dešinės rankos delną laikysite taip, kad lauko linijos būtų nukreiptos jo kryptimi, o nykštys rodytų laidininko kryptį, tai likę keturi pirštai rodys indukuoto elektromagnetinio lauko kryptį ir elektros srovės laidininke kryptį.
Besisukanti ritė
Elektros srovės generatoriaus veikimas pagrįstas ritės sukimu magnetiniame sraute, kuriame yra tam tikras skaičius ričių. Elektros grandinėje visada indukuojamas EMP, kai ją kerta magnetinis srautas pagal formulę magnetinis srautas F = B x S x cos α (magnetinė indukcija, padauginta iš paviršiaus ploto, per kurį praeina magnetinis srautas, ir kampo, kurį sudaro krypties vektorius ir statmena linijų plokštumai linija, kosinuso).
Pagal formulę F veikia situacijų pokyčiai:
- pasikeitus magnetiniam srautui, pasikeičia krypties vektorius;
- keičiasi grandinės plotas;
- keičiamas kampas.
Leidžiama indukuoti elektromagnetinį lauką, kai magnetas nejuda arba srovė nesikeičia, bet tiesiog sukant ritę aplink jos ašį magnetiniame lauke. Šiuo atveju magnetinis srautas kinta keičiantis kampui. Sukdamasi ritė kerta magnetinio srauto linijas, todėl susidaro elektromagnetinis laukas. Tolygiai sukantis, magnetinis srautas periodiškai keičiasi. Be to, jėgos linijų, kurios kertamos kas sekundę, skaičius tampa vienodas vienodais laiko intervalais.
Praktiškai kintamosios srovės generatoriuose ritė nejuda, o elektromagnetas sukasi aplink ją.
Saviindukcijos EMP
Kai ritę praleidžia kintamoji elektros srovė, susidaro kintamasis magnetinis laukas, kuriam būdingas kintantis magnetinis srautas, sukeliantis elektromagnetinį lauką. Šis reiškinys vadinamas saviindukcija.
Kadangi magnetinis srautas yra proporcingas elektros srovės intensyvumui, saviindukcijos EML formulė yra tokia:
F = L x I, kur L yra induktyvumas, matuojamas Gn. Jo vertę lemia vijų skaičius ilgio vienete ir jų skerspjūvio plotas.
Abipusė indukcija
Kai dvi ritės yra viena šalia kitos, jose susidaro abipusės indukcijos elektromagnetinis laukas, kurį lemia abiejų grandinių konfigūracija ir jų tarpusavio orientacija. Didėjant grandinių atskyrimui, abipusio induktyvumo vertė mažėja, nes mažėja abiem ritėms bendras magnetinis srautas.
Atidžiau pažvelkime, kaip vyksta abipusė indukcija. Yra dvi ritės, viena su N1 vijų, kuria teka srovė I1, kuri sukuria magnetinį srautą ir teka per antrąją ritę su N2 vijų skaičiumi.
Antrosios ritės abipusio induktyvumo vertė pirmosios ritės atžvilgiu:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Magnetinio srauto vertė:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indukuotasis elektromagnetinis laukas apskaičiuojamas pagal formulę:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
Pirmojoje ritėje indukuotojo EML vertė yra:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Svarbu pažymėti, kad dėl abipusės indukcijos vienoje iš ričių sukelta elektromagnetinė jėga bet kuriuo atveju yra tiesiogiai proporcinga elektros srovės pokyčiui kitoje ritėje.
Tuomet daroma prielaida, kad abipusis induktyvumas yra lygus:
M12 = M21 = M.
Todėl E1 = - M x dI2/dt ir E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), kur K yra dviejų induktyvumo verčių ryšio koeficientas.
Tarpinė indukcija plačiai naudojama transformatoriuose, kurie suteikia galimybę keisti kintamosios elektros srovės vertes. Prietaisas yra pora ričių, kurios yra suvyniotos ant bendros šerdies. Srovė pirmojoje ritėje sukuria kintantį magnetinį srautą magnetinėje šerdyje ir srovę antrojoje ritėje. Kai pirmojoje ritėje yra mažiau vijų nei antrojoje ritėje, įtampa didėja, o kai pirmojoje ritėje yra daugiau vijų, įtampa atitinkamai mažėja.
Magnetinės indukcijos reiškinys naudojamas ne tik elektros energijai gaminti ir transformuoti, bet ir kituose prietaisuose. Pavyzdžiui, magnetinės levitacijos traukiniuose, kurie juda be tiesioginio kontakto su bėgiais tekančia srove, bet dėl elektromagnetinės traukos keliais centimetrais aukščiau.
Susiję straipsniai:
