W tym poradniku wyjaśnione zostanie pojęcie indukcyjnego pola elektromagnetycznego i kiedy ono występuje. Przyjrzymy się również indukcyjności jako kluczowemu parametrowi występowania strumienia magnetycznego w przypadku pojawienia się pola elektrycznego w przewodniku.
Indukcja elektromagnetyczna to wytwarzanie prądu elektrycznego przez zmieniające się w czasie pole magnetyczne. Dzięki odkryciom Faradaya i Lenza prawidłowości zostały sformułowane w postaci praw, które wprowadziły symetrię do rozumienia strumienia elektromagnetycznego. Teoria Maxwella połączyła wiedzę o prądzie elektrycznym i strumieniu magnetycznym. Dzięki odkryciom Hertza ludzkość poznała telekomunikację.
Spis treści
Strumień magnetyczny
Wokół przewodnika z prądem elektrycznym powstaje pole elektromagnetyczne, ale równolegle występuje zjawisko przeciwne - indukcja elektromagnetyczna. Rozważmy na przykład strumień magnetyczny: jeśli ramka z przewodnikiem zostanie umieszczona w polu elektrycznym z indukcją i będzie przesuwana z góry na dół wzdłuż linii sił magnetycznych lub z prawej na lewą stronę prostopadle do nich, to strumień magnetyczny przez ramkę będzie miał stałą wartość.
Jeśli ramka obraca się wokół własnej osi, to po pewnym czasie strumień magnetyczny zmieni się o pewną wartość. Spowoduje to powstanie w ramie pola elektromagnetycznego i prądu elektrycznego, zwanego prądem indukcyjnym.
Indukcyjne EMF
Zrozummy szczegółowo pojęcie indukcyjnego pola elektromagnetycznego. Gdy przewodnik jest umieszczony w polu magnetycznym i porusza się, a linie pola przecinają się, w przewodniku pojawia się siła elektromotoryczna zwana indukcyjnym EMF. Dzieje się tak również wtedy, gdy przewodnik pozostaje nieruchomy, a pole magnetyczne porusza się i przecina linie pola z przewodnikiem.
Gdy przewodnik, w którym wytwarza się EMF, zostanie zwarty z obwodem zewnętrznym, w obwodzie zaczyna płynąć prąd indukcyjny spowodowany obecnością tego EMF. Indukcja elektromagnetyczna polega na zjawisku indukowania się pola elektromagnetycznego w przewodniku w momencie przecięcia go przez linie pola magnetycznego.
Indukcja elektromagnetyczna to odwrotny proces przekształcania energii mechanicznej w prąd elektryczny. To pojęcie i jego prawa są szeroko stosowane w elektrotechnice, a większość maszyn elektrycznych opiera się na tym zjawisku.
Faraday i Lenz
Prawa Faradaya i Lenza są prawami indukcji elektromagnetycznej.
Faraday odkrył, że efekty magnetyczne pojawiają się w wyniku zmiany strumienia magnetycznego w czasie. Gdy przewodnik jest przecinany przez zmienny prąd magnetyczny, w przewodniku powstaje siła elektromotoryczna, a w efekcie prąd elektryczny. Zarówno magnes stały, jak i elektromagnes mogą wytwarzać prąd.
Naukowcy odkryli, że natężenie prądu wzrasta, gdy gwałtownie zmienia się liczba linii energetycznych przecinających obwód. EMF indukcji elektromagnetycznej jest bezpośrednio zależne od strumienia magnetycznego.
Zgodnie z prawem Faradaya wzór na indukcję elektromagnetyczną EMF jest zdefiniowany w następujący sposób:
E = - dF/dt.
Znak minus wskazuje na związek między biegunowością indukowanego pola elektromagnetycznego, kierunkiem strumienia i zmieniającą się prędkością.
Zgodnie z prawem Lenza można scharakteryzować siłę elektromotoryczną jako funkcję jej kierunku. Każda zmiana strumienia magnetycznego w cewce powoduje powstanie EMF indukcji, przy czym EMF rośnie, gdy zmiana jest szybka.
Jeżeli cewka z indukcyjnym EMF jest zwarta z obwodem zewnętrznym, płynie przez nią prąd indukcyjny, który powoduje powstanie pola magnetycznego wokół przewodnika i nadaje cewce właściwości solenoidu. W rezultacie wokół cewki tworzy się własne pole magnetyczne.
E.H. Lenz ustanowił prawo, zgodnie z którym określa się kierunek prądu indukcyjnego w cewce oraz EMF indukcji. Prawo to mówi, że indukcyjne EMF w cewce tworzy w niej prąd w kierunku, w którym dany strumień magnetyczny cewki pozwala uniknąć zmiany obcego strumienia magnetycznego.
Prawo Lenza ma zastosowanie do wszystkich przypadków indukcji prądu elektrycznego w przewodnikach, niezależnie od ich konfiguracji i sposobu zmiany zewnętrznego pola magnetycznego.
Ruch drutu w polu magnetycznym
Wartość indukowanego pola elektromagnetycznego zależy od długości przewodnika, przez który przebiegają linie pola. Przy większej liczbie linii sił wzrasta wartość indukowanego pola elektromagnetycznego. Wraz ze wzrostem pola magnetycznego i indukcji w przewodniku powstaje większa wartość EMF. Zatem wartość EMF w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym jest bezpośrednio związana z indukcją pola magnetycznego, długością przewodnika i jego prędkością.
Zależność tę odzwierciedla wzór E = Blv, gdzie E to EMF indukcji; B to wartość indukcji magnetycznej; I to długość przewodnika; v to prędkość jego ruchu.
Należy zauważyć, że w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym indukcja pola elektromagnetycznego pojawia się tylko wtedy, gdy przecina ono linie sił pola magnetycznego. Jeżeli przewodnik porusza się wzdłuż linii pola, to nie indukuje się żadne pole elektromagnetyczne. Z tego powodu wzór ten ma zastosowanie tylko wtedy, gdy ruch przewodnika jest prostopadły do linii sił.
Kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego i prądu elektrycznego w przewodniku jest określony przez kierunek ruchu samego przewodnika. Opracowano regułę prawej ręki, która pozwala określić kierunek. Jeśli trzymamy dłoń prawej ręki w taki sposób, że linie pola biegną w jej kierunku, a kciuk wskazuje kierunek przewodnika, to pozostałe cztery palce pokazują kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego i kierunek prądu elektrycznego w przewodniku.
Cewka obrotowa
Działanie generatora prądu elektrycznego polega na obracaniu się cewki w strumieniu magnetycznym, w którym znajduje się pewna liczba zwojów. EMF indukuje się w obwodzie elektrycznym zawsze wtedy, gdy przecina go strumień magnetyczny, zgodnie ze wzorem na strumień magnetyczny F = B x S x cos α (indukcja magnetyczna pomnożona przez pole powierzchni, przez które przechodzi strumień magnetyczny, oraz cosinus kąta utworzonego przez wektor kierunku i prostopadłą do płaszczyzny linię).
Zgodnie ze wzorem, na wartość F mają wpływ zmiany sytuacji:
- zmiana strumienia magnetycznego powoduje zmianę wektora kierunku;
- zmienia się obszar zamknięty przez obwód;
- kąt jest zmieniany.
Dopuszczalne jest indukowanie EMF, gdy magnes jest nieruchomy lub prąd jest niezmienny, ale tylko przez obracanie cewki wokół jej osi w polu magnetycznym. W tym przypadku strumień magnetyczny zmienia się wraz ze zmianą kąta. Podczas obrotu cewka przecina linie strumienia magnetycznego, co powoduje powstanie pola elektromagnetycznego. Przy jednostajnym ruchu obrotowym następuje okresowa zmiana strumienia magnetycznego. Również liczba linii sił, które są przecinane w każdej sekundzie, staje się równa w równych odstępach czasu.
W generatorach prądu przemiennego w praktyce cewka pozostaje nieruchoma, a elektromagnes obraca się wokół niej.
Samoindukcja EMF
Gdy zmienny prąd elektryczny przepływa przez cewkę, wytwarza się zmienne pole magnetyczne, charakteryzujące się zmiennym strumieniem magnetycznym, który indukuje EMF. Zjawisko to nazywane jest samoindukcją.
Ponieważ strumień magnetyczny jest proporcjonalny do natężenia prądu elektrycznego, wzór na samoindukcję EMF jest następujący:
F = L x I, gdzie L to indukcyjność, którą mierzy się w Gn. Jego wartość zależy od liczby zwojów na jednostkę długości i wielkości ich pola przekroju poprzecznego.
Wzajemne indukowanie się
Gdy dwie cewki są umieszczone obok siebie, wytwarzają EMF o indukcji wzajemnej, która zależy od konfiguracji obu obwodów i ich wzajemnej orientacji. Wraz ze wzrostem odległości między obwodami maleje wartość indukcyjności wzajemnej, ponieważ zmniejsza się strumień magnetyczny wspólny dla obu cewek.
Przyjrzyjmy się bliżej, w jaki sposób zachodzi zjawisko indukcji wzajemnej. W dwóch cewkach, jednej o liczbie zwojów N1 płynie prąd I1, który wytwarza strumień magnetyczny i przepływa przez drugą cewkę o liczbie zwojów N2.
Wartość indukcyjności wzajemnej drugiej cewki w stosunku do pierwszej cewki:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Wartość strumienia magnetycznego:
F21 = (M21/N2) x I1.
Indukowane pole elektromagnetyczne oblicza się za pomocą wzoru:
E2 = - N2 x dF21/dt = - M21x dI1/dt.
W pierwszej cewce wartość indukowanego pola elektromagnetycznego wynosi:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Należy zauważyć, że siła elektromotoryczna wywołana przez indukcję wzajemną w jednej z cewek jest w każdym przypadku wprost proporcjonalna do zmiany prądu elektrycznego w drugiej cewce.
Zakłada się, że indukcyjność wzajemna jest równa:
M12 = M21 = M.
W konsekwencji E1 = - M x dI2/dt i E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), gdzie K jest współczynnikiem sprzężenia między dwiema wartościami indukcyjności.
Interdukcja jest szeroko stosowana w transformatorach, które umożliwiają zmianę wartości prądu elektrycznego zmiennego. Urządzenie składa się z pary cewek nawiniętych na wspólnym rdzeniu. Prąd w pierwszej cewce tworzy zmienny strumień magnetyczny w rdzeniu magnetycznym, a prąd w drugiej cewce - zmienny strumień magnetyczny. Przy mniejszej liczbie zwojów w pierwszej cewce niż w drugiej napięcie wzrasta i odpowiednio przy większej liczbie zwojów w pierwszej cewce napięcie maleje.
Oprócz wytwarzania i przekształcania energii elektrycznej, zjawisko indukcji magnetycznej jest wykorzystywane w innych urządzeniach. Na przykład w pociągach lewitujących magnetycznie, które poruszają się bez bezpośredniego kontaktu z prądem w szynach, ale kilka centymetrów wyżej dzięki odpychaniu elektromagnetycznemu.
Powiązane artykuły:
