Fenomenet elektromagnetisk induksjon er et fenomen som består i at det oppstår en elektromotorisk kraft eller spenning i et legeme som befinner seg i et magnetfelt som er i konstant endring. En elektromotorisk kraft som følge av elektromagnetisk induksjon oppstår også hvis et legeme beveger seg i et statisk og ujevnt magnetfelt, eller roterer i et magnetfelt slik at linjene som skjærer en lukket sløyfe endres.
Indusert elektrisk strøm
Under begrepet "induksjon" menes fremveksten av en prosess som et resultat av virkningen av en annen prosess. For eksempel kan en elektrisk strøm induseres, det vil si at den kan vises som et resultat av å utsette en leder for et magnetfelt på en spesiell måte. En slik elektrisk strøm kalles indusert. Betingelsene for dannelsen av en elektrisk strøm som følge av fenomenet elektromagnetisk induksjon diskuteres senere i artikkelen.
Konseptet med et magnetisk felt
FørFor å begynne å studere fenomenet elektromagnetisk induksjon, er det nødvendig å forstå hva et magnetfelt er. Enkelt sagt er et magnetfelt et område i rommet der et magnetisk materiale viser sine magnetiske effekter og egenskaper. Denne delen av rommet kan avbildes ved hjelp av linjer k alt magnetfeltlinjer. Antallet av disse linjene representerer en fysisk størrelse som kalles magnetisk fluks. De magnetiske feltlinjene er lukket, de starter ved magnetens nordpol og slutter i sør.
Magnetisk felt har evnen til å virke på alle materialer med magnetiske egenskaper, for eksempel jernledere av elektrisk strøm. Dette feltet er preget av magnetisk induksjon, som er betegnet med B og måles i teslaer (T). En magnetisk induksjon på 1 T er et veldig sterkt magnetfelt som virker med en kraft på 1 newton på en punktladning på 1 coulomb, som flyr vinkelrett på magnetfeltlinjene med en hastighet på 1 m/s, det vil si 1 T=1 Ns / (mCl).
Hvem oppdaget fenomenet elektromagnetisk induksjon?
Elektromagnetisk induksjon, på prinsippet som mange moderne enheter er basert på, ble oppdaget på begynnelsen av 30-tallet av XIX århundre. Oppdagelsen av fenomenet elektromagnetisk induksjon tilskrives vanligvis Michael Faraday (oppdagelsesdato - 29. august 1831). Forskeren var basert på resultatene fra eksperimentene til den danske fysikeren og kjemikeren Hans Oersted, som oppdaget at en leder som en elektrisk strøm flyter gjennom, skaperet magnetfelt rundt seg selv, det vil si at det begynner å vise magnetiske egenskaper.
Faraday oppdaget på sin side det motsatte av fenomenet som ble oppdaget av Oersted. Han la merke til at et skiftende magnetfelt, som kan skapes ved å endre parametrene til den elektriske strømmen i lederen, fører til utseendet til en potensiell forskjell i endene av en hvilken som helst strømleder. Hvis disse endene er koblet for eksempel gjennom en elektrisk lampe, vil en elektrisk strøm flyte gjennom en slik krets.
Som et resultat oppdaget Faraday en fysisk prosess, som et resultat av at det oppstår en elektrisk strøm i en leder på grunn av en endring i magnetfeltet, som er fenomenet elektromagnetisk induksjon. Samtidig, for dannelsen av en indusert strøm, spiller det ingen rolle hva som beveger seg: magnetfeltet eller selve lederen. Dette kan enkelt vises ved å utføre et passende eksperiment på fenomenet elektromagnetisk induksjon. Så etter å ha plassert magneten inne i metallspiralen, begynner vi å flytte den. Hvis du kobler endene av spiralen gjennom en indikator for elektrisk strøm inn i en krets, kan du se utseendet til strøm. Nå bør du la magneten være i fred og flytte spiralen opp og ned i forhold til magneten. Indikatoren vil også vise eksistensen av strøm i kretsen.
Faraday-eksperiment
Faradays eksperimenter besto av å jobbe med en leder og en permanent magnet. Michael Faraday oppdaget først at når en leder beveger seg inne i et magnetfelt, oppstår det en potensiell forskjell i endene. Den bevegelige lederen begynner å krysse magnetfeltlinjene, noe som simulerereffekten av å endre dette feltet.
Vitenskapsmannen oppdaget at de positive og negative tegnene på den resulterende potensielle forskjellen avhenger av retningen som lederen beveger seg i. For eksempel, hvis lederen heves i et magnetisk felt, vil den resulterende potensialforskjellen ha en +- polaritet, men hvis denne lederen er senket, vil vi allerede få en -+ polaritet. Disse endringene i tegnet til potensialene, hvis forskjell kalles den elektromotoriske kraften (EMF), fører til at det oppstår en vekselstrøm i en lukket krets, det vil si en strøm som hele tiden endrer retning til det motsatte.
Funksjoner ved elektromagnetisk induksjon oppdaget av Faraday
Ved å vite hvem som oppdaget fenomenet elektromagnetisk induksjon og hvorfor det er en indusert strøm, vil vi forklare noen av egenskapene til dette fenomenet. Så jo raskere du beveger lederen i et magnetfelt, jo større vil verdien av den induserte strømmen i kretsen være. Et annet trekk ved fenomenet er som følger: jo større magnetisk induksjon av feltet, det vil si jo sterkere dette feltet er, jo større potensialforskjell kan det skape når lederen beveges i feltet. Hvis lederen er i ro i et magnetfelt, oppstår det ingen EMF i den, siden det ikke er noen endring i linjene for magnetisk induksjon som krysser lederen.
Elektrisk strømretning og venstrehåndsregel
For å bestemme retningen i lederen til elektrisk strøm som skapes som et resultat av fenomenet elektromagnetisk induksjon, kan dubruke den såk alte venstrehåndsregelen. Det kan formuleres som følger: hvis venstre hånd er plassert slik at linjene med magnetisk induksjon, som begynner ved magnetens nordpol, kommer inn i håndflaten, og den utstående tommelen er rettet i lederens bevegelsesretning i feltet til magneten, så vil de resterende fire fingrene på venstre hånd indikere bevegelsesretningen indusert strøm i lederen.
Det er en annen versjon av denne regelen, den er som følger: hvis pekefingeren på venstre hånd er rettet langs linjene med magnetisk induksjon, og den utstående tommelen er rettet i retning av lederen, vil langfingeren dreid 90 grader til håndflaten vil indikere retningen til den viste strømmen i lederen.
Fenomenet selvinduksjon
Hans Christian Oersted oppdaget eksistensen av et magnetfelt rundt en leder eller spole med strøm. Forskeren fant også at egenskapene til dette feltet er direkte relatert til styrken til strømmen og dens retning. Hvis strømmen i spolen eller lederen er variabel, vil den generere et magnetfelt som ikke vil være stasjonært, det vil si at det vil endre seg. I sin tur vil dette vekselfeltet føre til utseendet til en indusert strøm (fenomenet elektromagnetisk induksjon). Bevegelsen av induksjonsstrømmen vil alltid være motsatt av vekselstrømmen som sirkulerer gjennom lederen, det vil si at den vil motstå hver endring i strømmens retning i lederen eller spolen. Denne prosessen kalles selvinduksjon. Den resulterende elektriske forskjellenpotensialer kalles selvinduksjonens EMF.
Merk at selvinduksjonsfenomenet oppstår ikke bare når retningen til strømmen endres, men også når den endres, for eksempel når den øker på grunn av en reduksjon i motstand i kretsen.
For den fysiske beskrivelsen av motstanden som utøves av enhver endring i strøm i en krets på grunn av selvinduksjon, ble begrepet induktans introdusert, som måles i henries (til ære for den amerikanske fysikeren Joseph Henry). En Henry er en slik induktans som, når strømmen endres med 1 ampere på 1 sekund, oppstår en EMF i prosessen med selvinduksjon, lik 1 volt.
Vekselstrøm
Når en induktor begynner å rotere i et magnetfelt, som et resultat av fenomenet elektromagnetisk induksjon, skaper den en indusert strøm. Denne elektriske strømmen er variabel, noe som betyr at den endrer retning systematisk.
Vekselstrøm er mer vanlig enn likestrøm. Så mange enheter som opererer fra det sentrale elektriske nettverket bruker denne typen strøm. Vekselstrøm er lettere å indusere og transportere enn likestrøm. Som regel er frekvensen for husholdningsvekselstrøm 50-60 Hz, det vil si at retningen endres 50-60 ganger på 1 sekund.
Den geometriske representasjonen av vekselstrøm er en sinusformet kurve som beskriver spenningens avhengighet av tid. Hele perioden for den sinusformede kurven for husholdningsstrøm er omtrent 20 millisekunder. I henhold til den termiske effekten er vekselstrøm lik strømDC, hvis spenning er Umax/√2, der Umax er maksimal spenning på AC sinuskurven.
Bruken av elektromagnetisk induksjon i teknologi
Oppdagelsen av fenomenet elektromagnetisk induksjon ga en virkelig boom i teknologiutviklingen. Før denne oppdagelsen var mennesker bare i stand til å generere elektrisitet i begrensede mengder ved hjelp av elektriske batterier.
For øyeblikket brukes dette fysiske fenomenet i elektriske transformatorer, i varmeovner som konverterer indusert strøm til varme, og i elektriske motorer og bilgeneratorer.
