Elektromagnetisk induktion
Utseendet i induktionen av ledarens EMF
Om du sätter magnetiskt fält tråd och flytta den så att den korsar fältlinjerna när den rör sig, då kommer tråden att ha elektromotorisk kraftKallas EMF-induktion.
En induktions-EMK kommer att uppstå i ledaren även om själva ledaren förblir stationär och magnetfältet kommer att röra sig och korsar ledaren med dess kraftlinjer.
Om ledaren i vilken induktions-EMK induceras är sluten till någon extern krets, så kommer under inverkan av denna EMF en ström att flyta genom kretsen, den s.k. induktionsström.
Fenomenet EMF-induktion i en ledare när den korsar dess magnetfältslinjer kallas elektromagnetisk induktion.
Elektromagnetisk induktion är den omvända processen, det vill säga omvandlingen av mekanisk energi till elektrisk energi.
Fenomenet elektromagnetisk induktion används ofta i elektroteknik… Enheten för olika elektriska maskiner är baserad på dess användning.
Storleken och riktningen för EMF-induktionen
Låt oss nu överväga vad som kommer att vara storleken och riktningen för EMF som induceras i ledaren.
Storleken på induktions-EMK beror på antalet kraftlinjer som korsar tråden per tidsenhet, dvs på hastigheten på trådens rörelse i fältet.
Storleken på den inducerade EMF är direkt proportionell mot ledarens rörelsehastighet i ett magnetfält.
Storleken på den inducerade EMF beror också på längden på den del av tråden som korsas av fältlinjerna. Ju större del av ledaren som korsas av fältlinjerna, desto större är den inducerade emk i ledaren. Slutligen, ju starkare magnetfältet är, det vill säga ju större induktionen är, desto större är EMF i ledaren som korsar detta fält.
Således är EMF-värdet för en induktion som inträffar i en ledare när den rör sig i ett magnetfält direkt proportionell mot induktionen av magnetfältet, ledarens längd och hastigheten på dess rörelse.
Detta beroende uttrycks med formeln E = Blv,
där E är induktions-EMK; B — magnetisk induktion; I är längden på tråden; v är trådens hastighet.
Man måste bestämt komma ihåg att i en ledare som rör sig i ett magnetiskt fält, uppstår EMF av induktion endast om denna ledare korsas av fältets magnetfältslinjer. Om ledaren rör sig längs fältlinjerna, det vill säga den korsar inte, utan verkar glida längs dem, induceras ingen EMF i den. Därför är ovanstående formel endast giltig när tråden rör sig vinkelrätt mot magnetfältslinjerna.
Riktningen för den inducerade emk (liksom strömmen i tråden) beror på i vilken riktning tråden rör sig. Det finns en högerhandsregel för att bestämma riktningen för den inducerade EMF.
Om du håller handflatan på din högra hand så att magnetfältslinjerna kommer in i den och den böjda tummen skulle indikera ledarens rörelseriktning, så skulle de förlängda fyra fingrarna indikera verkansriktningen för den inducerade EMF och riktningen av strömmen i ledaren.
Högerhandsregel
EMF-induktion i spolen
Vi har redan sagt att för att skapa en EMF av induktion i en tråd är det nödvändigt att flytta antingen själva tråden eller magnetfältet till ett magnetfält. I båda fallen måste tråden korsas av fältets magnetfältslinjer, annars kommer ingen emk att induceras. Den inducerade emk, och därmed den inducerade strömmen, kan förekomma inte bara i en rak tråd, utan också i en tråd som vrids till en spole.
När man flyttar in spolar av en permanentmagnet induceras en EMF i den på grund av att magnetens magnetiska flöde korsar spolens varv, det vill säga på samma sätt som när man flyttar en rak tråd i en magnets fält.
Om magneten långsamt sänks ner i spolen kommer EMF som uppstår i den att vara så liten att enhetens nål kanske inte ens avviker. Om magneten tvärtom snabbt sätts in i spolen blir pilens avböjning stor. Detta betyder att storleken på den inducerade EMF och följaktligen styrkan på strömmen i spolen beror på magnetens hastighet, det vill säga på hur snabbt fältlinjerna i fältet korsar spolens varv. Om nu, växelvis, initialt en stark magnet och sedan en svag magnet sätts in i spolen med samma hastighet, kommer du att märka att med en stark magnet kommer enhetens nål att avvika i en större vinkel.Det betyder att storleken på den inducerade EMF och följaktligen styrkan på strömmen i spolen beror på storleken på magnetens magnetiska flöde.
Slutligen, om samma magnet införs med samma hastighet, först i en spole med ett stort antal varv och sedan med ett mycket mindre antal, så kommer i det första fallet anordningens nål att avvika med en större vinkel än i den andra. Detta betyder att storleken på den inducerade EMF och följaktligen styrkan på strömmen i spolen beror på antalet varv. Samma resultat kan erhållas om en elektromagnet används istället för en permanentmagnet.
Induktionsriktningen för EMF i spolen beror på magnetens rörelseriktning. Hur man bestämmer riktningen för EMF för induktion, säger lagen som fastställts av E. H. Lenz.
Lenz lag om elektromagnetisk induktion
Varje förändring av det magnetiska flödet inuti spolen åtföljs av uppkomsten av en EMF av induktion i den, och ju snabbare förändringen av det magnetiska flödet som penetrerar spolen, desto större är EMF i den.
Om spolen i vilken induktions-EMK skapas är stängd till en extern krets, flyter en induktionsström genom dess varv, vilket skapar ett magnetfält runt ledningen, på grund av vilket spolen förvandlas till en solenoid. Det visar sig att det förändrade yttre magnetfältet inducerar en inducerad ström i spolen, som i sin tur skapar ett eget magnetfält runt spolen – strömfältet.
Genom att studera detta fenomen etablerade E. H. Lenz en lag som bestämmer riktningen för induktionsströmmen i spolen och följaktligen riktningen för induktions-EMK.Den emk av induktion som uppstår i spolen när det magnetiska flödet ändras i den skapar en ström i spolen i en sådan riktning att det magnetiska flödet hos spolen som skapas av denna ström förhindrar att det externa magnetiska flödet ändras.
Lenz lag gäller för alla fall av ströminduktion i ledningar, oavsett ledarnas form och hur förändringen i det externa magnetfältet uppnås.
När permanentmagneten rör sig i förhållande till trådspolen som är ansluten till galvanometerns terminaler, eller när spolen rör sig i förhållande till magneten, genereras en inducerad ström.
Induktionsströmmar i massiva ledare
Det förändrade magnetiska flödet kan inducera en EMF inte bara i spolens varv utan också i massiva metallledare. Genom att penetrera tjockleken på en massiv ledare inducerar det magnetiska flödet en EMF i den, vilket skapar induktionsströmmar. Dessa sk virvelströmmar sprids över en solid tråd och kortsluts i den.
Kärnorna i transformatorer, magnetiska kärnor i olika elektriska maskiner och enheter är bara de massiva ledningar som värms upp av de induktionsströmmar som uppstår i dem. Detta fenomen är oönskat, därför, för att minska storleken på induktionsströmmarna, delarna av elektriska maskiner och transformatorns kärna är inte massiva, utan består av tunna plåtar isolerade från varandra med papper eller ett lager isolerande lack. Därför är vägen för utbredning av virvelströmmar längs ledarens massa blockerad.
Men ibland används i praktiken även virvelströmmar som användbara strömmar. Användningen av dessa strömmar bygger på till exempel arbetet induktionsvärmeugnar, elmätare och de så kallade magnetiska dämparna för rörliga delar av elektriska mätinstrument.