У матеріалі розберемося у понятті ЕРС індукції у ситуаціях її виникнення. Також розглянемо індуктивність як ключовий параметр виникнення магнітного потоку з появою електричного поля у провіднику.
Електромагнітна індукція є генерування електричного струму магнітними полями, які змінюються в часі. Завдяки відкриттям Фарадея та Ленца закономірності були сформульовані в закони, що запровадило симетрію до розуміння електромагнітних потоків. Теорія Максвелла зібрала воєдино знання про електричний струм і магнітні потоки. Завдяки відкриття Герца людство дізналося про телекомунікації.
Магнітний потік
При обертанні рамки навколо осі, тоді через деякий час магнітний потік зміниться на певну величину. В результаті в рамці виникає ЕРС індукції та з'явиться електричний струм, який називається індукційним.
ЕРС індукції
Розберемося детально, що таке поняття ЕРС індукції. При поміщенні в магнітне поле провідника та його русі з перетином силових ліній поля, у провіднику з'являється електрорушійна сила під назвою ЕРС індукції. Також вона виникає, якщо провідник залишається у нерухомому стані, а магнітне поле переміщається та перетинається з провідником силовими лініями.
Коли провідник, де відбувається виникнення ЕРС, замикається на весняний ланцюг, завдяки наявності даної ЕРС ланцюгом починає протікати індукційний струм. Електромагнітна індукція передбачає явище індукції ЕРС у провіднику в момент його перетину силовими лініями магнітного поля.
Електромагнітна індукція є зворотним процесом трансформації механічної енергії в електрострум. Дане поняття та його закономірності широко використовуються в електротехніці, більшість електромашин ґрунтується на даному явищі.
Закони Фарадея та Ленца
Закони Фарадея та Ленца відображають закономірності виникнення електромагнітної індукції.
Фарадей виявив, що магнітні ефекти з'являються внаслідок зміни магнітного потоку у часі. У момент перетину провідника змінним магнітним струмом, у ньому виникає електрорушійна сила, що призводить до виникнення електричного струму. Генерувати струм може як постійний магніт, і електромагніт.
Вчений визначив, що інтенсивність струму зростає за швидкої зміни кількості силових ліній, які перетинають контур. Тобто ЕРС електромагнітної індукції перебуває у прямій залежності від швидкості магнітного потоку.
Відповідно до закону Фарадея, формули ЕРС індукції визначаються таким чином:
- Е = - dФ/dt.
Знак «мінус» вказує на взаємозв'язок між полярністю індукованої ЕРС, напрямом потоку і швидкістю, що змінюється.
Відповідно до закону Ленца, можна охарактеризувати електрорушійну силу залежно від її спрямованості. Будь-яка зміна магнітного потоку в котушці призводить до появи ЕРС індукції, причому при швидкій зміні спостерігається зростання ЕРС.
Якщо котушка, де є ЕРС індукції, має замикання на зовнішній ланцюг, тоді по ній тече індукційний струм, внаслідок чого навколо провідника з'являється магнітне поле і котушка набуває властивостей соленоїда. В результаті навколо котушки формується своє магнітне поле.
Е.Х. Ленц встановив закономірність, за якою визначається напрямок індукційного струму в котушці та ЕРС індукції. Закон свідчить, що ЕРС індукції в котушці при зміні магнітного потоку формує в котушці струм напряму, у якому даний магнітний потік котушки дозволяє уникнути зміни стороннього магнітного потоку.
Закон Ленца застосовується всім ситуацій індуктування електроструму в провідниках, незалежно від його зміни та способу зміни зовнішнього магнітного поля.
Рух дроту у магнітному полі
Значення індуктованої ЕРС визначається залежно від довжини провідника, що перетинається силовими лініями поля. При більшій кількості силових ліній зростає величина індукційної ЕРС. При збільшенні магнітного поля та індукції, більше значення ЕРС виникає у провіднику. Таким чином, значення ЕРС індукції в провіднику, що рухається в магнітному полі, знаходиться в прямій залежності від індукції магнітного поля, довжини провідника і швидкості його руху.
Ця залежність відбито у формулі Е = Blv, де Е — ЕРС індукції; В - значення магнітної індукції; I - Довжина провідника; v-швидкість його переміщення.
Зазначимо, що у провіднику, який рухається в магнітному полі, ЕРС індукції з'являється лише тоді, коли він перетинає силові лінії магнітного поля. Якщо провідник рухається силовими лініями, тоді ЕРС не індуктується. З цієї причини формула застосовується лише у випадках, коли рухом провідника спрямовано перпендикулярно до силових ліній.
Напрямок індуктованої ЕРС та електроструму у провіднику визначається напрямом руху самого провідника. Для виявлення напряму розроблено правило правої руки. Якщо тримати долоню правої руки таким чином, щоб у її напрямку входили силові лінії поля, а великий палець вказує напрямок руху провідника, тоді решта чотирьох пальців показує напрямок індуктованої ЕРС і напрямок електроструму в провіднику.
Котушка, що обертається
Функціонування генератора електроструму ґрунтується на обертанні котушки в магнітному потоці, де є певна кількість витків. ЕРС індукується в електричному ланцюзі завжди при перетині її магнітним потоком, на підставі формули магнітного потоку Ф = B x S х cos α (магнітна індукція, помножена на площу поверхні, через яку проходить магнітний потік, і косинус кута, сформований вектором напрямку та перпендикулярної площини лінії).
Відповідно до формули, на Ф впливають зміни у ситуаціях:
- при зміні магнітного потоку змінюється вектор напряму;
- змінюється площа, укладена у контур;
- змінюється кут.
Допускається індукування ЕРС при нерухомому магніті або постійному струмі, а просто при обертанні котушки навколо своєї осі в межах магнітного поля. У разі магнітний потік змінюється при зміні значення кута. Котушка в процесі обертання перетинає силові лінії магнітного потоку, в результаті утворюється ЕРС. При рівномірному обертанні виникає періодична зміна магнітного потоку. Також число силових ліній, які перетинаються щомиті, стає рівним значенням через рівні часові проміжки.
На практиці в генераторах змінного електроструму котушка залишається у нерухомому стані, а електромагніт виконує обертання навколо неї.
ЕРС самоіндукції
При проходженні через котушку змінного електроструму генерується змінне магнітне поле, яке характеризується змінним магнітним потоком, що індукує ЕРС. Це явище називається самоіндукцією.
З огляду на те, що магнітний потік пропорційний інтенсивності електроструму, тоді формула ЕРС самоіндукції виглядає таким чином:
Ф = L x I, де L – індуктивність, що вимірюється у Гн. Її величина визначається числом витків на одиницю довжини та величиною їх поперечного перерізу.
Взаємоіндукція
Розглянемо детально процес виникнення взаємоіндукції. Існують дві котушки, по дроту однієї з N1 витків тече струм I1, яким створюється магнітний потік і йде через другу котушку з N2 числом витків.
Значення взаємоіндуктивності другої котушки щодо першої:
- М21 = (N2 x F21)/I1.
Значення магнітного потоку:
- Ф21 = (М21/N2) x I1.
Індукована ЕРС обчислюється за такою формулою:
- Е2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
У першій котушці значення індукованої ЕРС:
- Е1 = - M12 x dI2/dt.
Важливо, що електрорушійна сила, спровокована взаємоіндукцією в одній із котушок, у будь-якому випадку прямо пропорційна зміні електричного струму в іншій котушці.
Тоді взаємоіндуктивність вважається рівною:
- М12=М21=М.
Внаслідок цього E1 = - M x dI2/dt і E2 = M x dI1/dt. М = К √ (L1 x L2), де є коефіцієнтом зв'язку між двома значеннями інжуктивності.
Взаємоіндукція широко використовується в трансформаторах, які дають можливість змінювати значення змінного електроструму. Прилад є парою котушок, які намотані на загальний сердечник. Струм у першій котушці формує змінний магнітний потік у магнітопроводі і струм у другій котушці. При меншій кількості витків у першій котушці, ніж у другій, зростає напруга, і відповідно при більшій кількості витків у першій обмотці напруга знижується.
Окрім генерування та трансформації електричної енергії, явище магнітної індукції використовується в інших приладах. Наприклад, в магнітних левітаційних поїздах, що рухаються без безпосереднього контакту зі струмом у рейках, а на пару сантиметрів вище через електромагнітне відштовхування.
СХОЖІ СТАТТІ:
- Визначення напрямку вектора магнітної індукції за допомогою правила свердловина та правила правої руки
- Що таке індуктивність, у чому вимірюється, основні формули
- Що таке сила Лоренца, які величини та напрямки цієї сили