Acest tutorial va explica conceptul de câmp electromagnetic inductiv și când apare acesta. Vom analiza, de asemenea, inductanța ca parametru cheie pentru apariția fluxului magnetic atunci când apare un câmp electric într-un conductor.
Inducția electromagnetică este generarea de curent electric prin câmpuri magnetice care se modifică în timp. Datorită descoperirilor lui Faraday și Lenz, regularitățile au fost formulate în legi, care au introdus simetria în înțelegerea fluxurilor electromagnetice. Teoria lui Maxwell a reunit cunoștințele despre curentul electric și fluxurile magnetice. Prin descoperirile lui Hertz, omenirea a aflat despre telecomunicații.
Cuprins
Flux magnetic
În jurul unui conductor cu curent electric apare un câmp electromagnetic, dar în paralel apare și fenomenul opus, inducția electromagnetică. Să luăm ca exemplu fluxul magnetic: dacă un cadru conductor este plasat într-un câmp electric cu inducție și se deplasează de sus în jos de-a lungul liniilor de forță magnetică sau de la dreapta la stânga perpendicular pe acestea, atunci fluxul magnetic prin cadru va fi o valoare constantă.
Dacă cadrul se rotește în jurul axei sale, atunci, după un anumit timp, fluxul magnetic se va modifica cu o anumită cantitate. Acest lucru va produce un câmp electromagnetic în cadru și un curent electric, care se numește curent de inducție.
EMF inductiv
Să înțelegem în detaliu conceptul de câmp electromagnetic inductiv. Atunci când un conductor este plasat într-un câmp magnetic și se deplasează cu liniile de câmp care se intersectează, în conductor apare o forță electromotoare numită câmp electromagnetic inductiv. De asemenea, se produce dacă conductorul rămâne staționar, iar câmpul magnetic se deplasează și intersectează liniile de câmp cu conductorul.
Atunci când un conductor, în care se generează un câmp electromagnetic, este scurtcircuitat la un circuit extern, un curent inductiv începe să circule prin circuit datorită prezenței acestui câmp electromagnetic. Inducția electromagnetică implică fenomenul de inducție a câmpului electromagnetic într-un conductor în momentul în care acesta este traversat de linii de câmp magnetic.
Inducția electromagnetică este procesul invers al transformării energiei mecanice în curent electric. Acest concept și legile sale sunt utilizate pe scară largă în ingineria electrică și majoritatea mașinilor electrice se bazează pe acest fenomen.
Faraday și Lenz
Legile lui Faraday și Lenz reprezintă legile inducției electromagnetice.
Faraday a arătat că efectele magnetice apar ca urmare a modificării fluxului magnetic în timp. În momentul în care un conductor este străbătut de un curent magnetic alternativ, se generează o forță electromotoare în conductor, rezultând un curent electric. Atât un magnet permanent, cât și un electromagnet pot genera curent.
Omul de știință a constatat că intensitatea curentului crește atunci când numărul de linii electrice care traversează circuitul se schimbă rapid. CEM al inducției electromagnetice depinde direct de fluxul magnetic.
Conform legii lui Faraday, formula pentru inducția electromagnetică EMF se definește după cum urmează:
E = - dF/dt.
Semnul minus indică relația dintre polaritatea câmpului electromagnetic indus, direcția fluxului și schimbarea vitezei.
În conformitate cu legea lui Lenz, este posibilă caracterizarea forței electromotoare în funcție de direcția acesteia. Orice modificare a fluxului magnetic din bobină are ca rezultat o forță electromagnetică de inducție, cu o creștere a forței electromagnetice atunci când modificarea este rapidă.
Dacă o bobină cu câmp electromagnetic de inducție este scurtcircuitată la un circuit extern, atunci prin ea trece un curent de inducție, ceea ce creează un câmp magnetic în jurul conductorului și conferă bobinei proprietățile unui solenoid. Ca urmare, în jurul bobinei se formează un câmp magnetic propriu.
E.H. Lenz a stabilit legea conform căreia se determină direcția curentului de inducție în bobină și CEM de inducție. Legea afirmă că EMF inductiv din bobină formează un curent în bobină în direcția în care fluxul magnetic dat al bobinei face posibilă evitarea unei modificări a fluxului magnetic străin.
Legea lui Lenz se aplică în toate situațiile de inducție a curentului electric în conductori, indiferent de configurația acestora sau de metoda de modificare a câmpului magnetic extern.
Mișcarea unui fir într-un câmp magnetic
Valoarea câmpului electromagnetic indus este determinată în funcție de lungimea conductorului traversat de liniile de câmp. Cu mai multe linii de forță, valoarea forței electromagnetice induse crește. Pe măsură ce câmpul magnetic și inducția cresc, în conductor apare o valoare mai mare a forței electromagnetice. Astfel, valoarea câmpului electromagnetic într-un conductor care se deplasează într-un câmp magnetic este în corelație directă cu inducția câmpului magnetic, lungimea conductorului și viteza acestuia.
Această dependență este reflectată în formula E = Blv, unde E este forța electromagnetică de inducție; B este valoarea inducției magnetice; I este lungimea conductorului; v este viteza de deplasare a acestuia.
Rețineți că, într-un conductor care se deplasează într-un câmp magnetic, inducția EMF apare numai atunci când traversează liniile de forță ale câmpului magnetic. Dacă conductorul se deplasează de-a lungul liniilor de câmp, atunci nu este indusă nicio forță electromagnetică. Din acest motiv, formula se aplică numai atunci când mișcarea conductorului este perpendiculară pe liniile de forță.
Direcția câmpului electromagnetic indus și a curentului electric din conductor este determinată de direcția de mișcare a conductorului însuși. A fost elaborată o regulă a mâinii drepte pentru a dezvălui direcția. Dacă țineți palma mâinii drepte astfel încât liniile de câmp să intre în direcția acesteia, iar degetul mare să fie îndreptat în direcția conductorului, atunci celelalte patru degete arată direcția câmpului electromagnetic indus și direcția curentului electric din conductor.
Bobină rotativă
Funcția unui generator de curent electric se bazează pe rotația unei bobine într-un flux magnetic, unde există un anumit număr de bobine. CEM este indusă într-un circuit electric întotdeauna când acesta este traversat de un flux magnetic, pe baza formulei flux magnetic F = B x S x cos α (inducția magnetică înmulțită cu suprafața prin care trece fluxul magnetic și cu cosinusul unghiului format de vectorul de direcție și perpendiculara la planul liniei).
Conform formulei, F este afectat de schimbările de situație:
- o modificare a fluxului magnetic modifică vectorul direcție;
- se modifică suprafața delimitată de circuit;
- se modifică unghiul.
Este permisă inducerea unui câmp electromagnetic atunci când magnetul este staționar sau curentul este neschimbat, dar pur și simplu prin rotirea bobinei în jurul axei sale în interiorul câmpului magnetic. În acest caz, fluxul magnetic se modifică pe măsură ce se schimbă unghiul. Bobina traversează liniile de flux magnetic în timp ce se rotește, rezultând un câmp electromagnetic. În cazul unei rotații uniforme, există o modificare periodică a fluxului magnetic. De asemenea, numărul de linii de forță care sunt traversate în fiecare secundă devine egal în intervale de timp egale.
În practică, la generatoarele de curent alternativ, bobina rămâne staționară, iar electromagnetul se rotește în jurul ei.
Autoinducție EMF
Atunci când un curent electric alternativ trece printr-o bobină, se generează un câmp magnetic alternativ, caracterizat printr-un flux magnetic variabil care induce un câmp electromagnetic. Acest fenomen se numește autoinducție.
Deoarece fluxul magnetic este proporțional cu intensitatea curentului electric, formula pentru CEM de autoinducție este următoarea:
F = L x I, unde L este inductanța, care se măsoară în Gn. Valoarea sa este determinată de numărul de spire pe unitatea de lungime și de mărimea suprafeței secțiunii transversale a acestora.
Inducția reciprocă
Atunci când două bobine sunt așezate una lângă alta, ele prezintă o forță electromagnetică de inducție reciprocă care este determinată de configurația celor două circuite și de orientarea lor reciprocă. Pe măsură ce separarea circuitelor crește, valoarea inductanței reciproce scade, deoarece există o scădere a fluxului magnetic comun celor două bobine.
Să analizăm mai îndeaproape modul în care are loc inducția reciprocă. Există două bobine, pe firul uneia cu N1 spire circulă un curent I1, care creează un flux magnetic și trece prin cea de-a doua bobină cu N2 spire.
Valoarea inductanței reciproce a celei de-a doua bobine în raport cu prima bobină:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valoarea fluxului magnetic:
F21 = (M21/N2) x I1.
CEM indus se calculează cu ajutorul formulei:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
În prima bobină, valoarea câmpului electromagnetic indus este:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Este important de reținut că forța electromotoare indusă de inducția reciprocă în una dintre bobine este în orice caz direct proporțională cu modificarea curentului electric din cealaltă bobină.
Se presupune că inductanța reciprocă este egală cu:
M12 = M21 = M.
În consecință, E1 = - M x dI2/dt și E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), unde K este factorul de cuplaj între cele două valori ale inductanței.
Interducția este utilizată pe scară largă în transformatoare, care oferă posibilitatea de a schimba valorile unui curent electric alternativ. Dispozitivul este format dintr-o pereche de bobine care sunt înfășurate pe un miez comun. Curentul din prima bobină formează un flux magnetic variabil în miezul magnetic și curentul din cea de-a doua bobină. Cu mai puține spire în prima bobină decât în cea de-a doua, tensiunea crește și, în mod corespunzător, cu mai multe spire în prima bobină, tensiunea scade.
Pe lângă generarea și transformarea energiei electrice, fenomenul de inducție magnetică este utilizat și în alte dispozitive. De exemplu, în cazul trenurilor cu levitație magnetică, care se deplasează fără contact direct cu curentul din șine, ci cu câțiva centimetri mai sus datorită repulsiei electromagnetice.
Articole conexe:
