In dem Material werden wir das Konzept der EMF-Induktion in Situationen ihres Auftretens verstehen. Wir betrachten auch die Induktivität als Schlüsselparameter für das Auftreten eines magnetischen Flusses, wenn ein elektrisches Feld in einem Leiter auftritt.
Elektromagnetische Induktion ist die Erzeugung von elektrischem Strom durch zeitlich veränderliche Magnetfelder. Dank der Entdeckungen von Faraday und Lenz wurden Muster in Gesetzmäßigkeiten formuliert, die Symmetrie in das Verständnis elektromagnetischer Strömungen einführten. Maxwells Theorie brachte das Wissen über elektrischen Strom und magnetische Flüsse zusammen. Dank der Entdeckung von Hertz lernte die Menschheit etwas über Telekommunikation.
Inhalt
magnetischer Fluss
Um einen Leiter mit elektrischem Strom herum erscheint ein elektromagnetisches Feld, parallel dazu tritt jedoch auch das entgegengesetzte Phänomen auf - elektromagnetische Induktion.Betrachten Sie als Beispiel den magnetischen Fluss: Wird ein Leiterrahmen in ein elektrisches Feld mit Induktion gebracht und entlang der magnetischen Feldlinien von oben nach unten oder senkrecht dazu nach rechts oder links bewegt, so wird der magnetische Fluss durch den Rahmen gehen Konstante.
Wenn sich der Rahmen um seine Achse dreht, ändert sich der magnetische Fluss nach einer Weile um einen bestimmten Betrag. Als Ergebnis erscheint im Rahmen eine EMF der Induktion und ein elektrischer Strom, der als Induktion bezeichnet wird.
EMF-Induktion
Lassen Sie uns im Detail untersuchen, was das Konzept der EMF der Induktion ist. Wenn ein Leiter in ein Magnetfeld gebracht wird und sich mit dem Schnittpunkt der Feldlinien bewegt, erscheint im Leiter eine elektromotorische Kraft, die als Induktions-EMK bezeichnet wird. Es tritt auch auf, wenn der Leiter stationär bleibt und sich das Magnetfeld bewegt und sich mit den Leiterkraftlinien schneidet.
Wenn sich der Leiter, an dem die EMK auftritt, mit dem externen Stromkreis schließt, beginnt aufgrund des Vorhandenseins dieser EMK ein Induktionsstrom durch den Stromkreis zu fließen. Bei der elektromagnetischen Induktion handelt es sich um das Phänomen der EMF-Induktion in einem Leiter in dem Moment, in dem er von magnetischen Feldlinien gekreuzt wird.
Elektromagnetische Induktion ist der umgekehrte Prozess der Umwandlung mechanischer Energie in elektrischen Strom. Dieses Konzept und seine Gesetze sind in der Elektrotechnik weit verbreitet, die meisten elektrischen Maschinen basieren auf diesem Phänomen.
Faraday- und Lenz-Gesetze
Die Gesetze von Faraday und Lenz spiegeln die Muster des Auftretens elektromagnetischer Induktion wider.
Faraday fand heraus, dass magnetische Effekte als Folge von Änderungen des Magnetflusses im Laufe der Zeit auftreten.Im Moment des Überquerens des Leiters mit einem magnetischen Wechselstrom entsteht darin eine elektromotorische Kraft, die zum Auftreten eines elektrischen Stroms führt. Sowohl ein Permanentmagnet als auch ein Elektromagnet können Strom erzeugen.
Der Wissenschaftler stellte fest, dass die Intensität des Stroms mit einer schnellen Änderung der Anzahl der Kraftlinien zunimmt, die den Stromkreis kreuzen. Das heißt, die EMF der elektromagnetischen Induktion ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des magnetischen Flusses.
Gemäß dem Faradayschen Gesetz sind die Induktions-EMK-Formeln wie folgt definiert:
E \u003d - dF / dt.
Das Minuszeichen gibt den Zusammenhang zwischen der Polarität der induzierten EMK, der Strömungsrichtung und der sich ändernden Geschwindigkeit an.
Nach dem Lenzschen Gesetz ist es möglich, die elektromotorische Kraft in Abhängigkeit von ihrer Richtung zu charakterisieren. Jede Änderung des Magnetflusses in der Spule führt zum Auftreten einer Induktions-EMK, und bei einer schnellen Änderung wird eine zunehmende EMF beobachtet.
Wenn die Spule, bei der eine Induktions-EMK vorhanden ist, einen Kurzschluss zu einem externen Stromkreis hat, fließt ein Induktionsstrom durch sie, wodurch ein Magnetfeld um den Leiter herum entsteht und die Spule die Eigenschaften eines Solenoids annimmt . Dadurch entsteht um die Spule herum ein Magnetfeld.
E.Kh. Lenz stellte ein Muster auf, nach dem die Richtung des Induktionsstroms in der Spule und die Induktions-EMK bestimmt werden. Das Gesetz besagt, dass die Induktions-EMK in der Spule bei Änderung des magnetischen Flusses einen gerichteten Strom in der Spule bildet, bei dem der gegebene magnetische Fluss der Spule es ermöglicht, Änderungen des magnetischen Fremdflusses zu vermeiden.
Das Lenzsche Gesetz gilt für alle Situationen der elektrischen Strominduktion in Leitern, unabhängig von ihrer Konfiguration und der Methode zur Änderung des äußeren Magnetfelds.
Die Bewegung eines Drahtes in einem Magnetfeld
Der Wert der induzierten EMK wird in Abhängigkeit von der Länge des von den Feldlinien gekreuzten Leiters bestimmt. Mit einer größeren Anzahl von Feldlinien steigt der Wert der induzierten EMK. Mit zunehmendem Magnetfeld und Induktion tritt im Leiter ein größerer EMF-Wert auf. Somit hängt der Wert der EMF der Induktion in einem sich in einem Magnetfeld bewegenden Leiter direkt von der Induktion des Magnetfelds, der Länge des Leiters und der Geschwindigkeit seiner Bewegung ab.
Diese Abhängigkeit spiegelt sich in der Formel E = Blv wider, wobei E die Induktions-EMK ist; B ist der Wert der magnetischen Induktion; I ist die Länge des Leiters; v ist die Geschwindigkeit seiner Bewegung.
Beachten Sie, dass in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, die Induktions-EMK nur dann auftritt, wenn sie die Magnetfeldlinien kreuzt. Wenn sich der Leiter entlang der Kraftlinien bewegt, wird keine EMK induziert. Aus diesem Grund gilt die Formel nur in Fällen, in denen die Bewegung des Leiters senkrecht zu den Kraftlinien gerichtet ist.
Die Richtung der induzierten EMF und des elektrischen Stroms im Leiter wird durch die Bewegungsrichtung des Leiters selbst bestimmt. Um die Richtung zu erkennen, wurde die Rechte-Hand-Regel entwickelt. Wenn Sie die rechte Handfläche so halten, dass die Feldlinien in ihre Richtung eintreten und der Daumen die Bewegungsrichtung des Leiters anzeigt, zeigen die verbleibenden vier Finger die Richtung der induzierten EMK und die Richtung des elektrischen Stroms an im Dirigenten.
Rotierende Spule
Die Funktionsweise des Stromgenerators basiert auf der Drehung der Spule in einem magnetischen Fluss, bei dem es eine bestimmte Anzahl von Windungen gibt. EMF wird in einem Stromkreis immer dann induziert, wenn er von einem Magnetfluss gekreuzt wird, basierend auf der Magnetflussformel Ф \u003d B x S x cos α (magnetische Induktion multipliziert mit der Oberfläche, durch die der Magnetfluss fließt, und dem Kosinus des Winkels, der durch den Richtungsvektor und die senkrechten Ebenenlinien gebildet wird).
Gemäß der Formel wird F von Situationsänderungen beeinflusst:
- wenn sich der magnetische Fluss ändert, ändert sich der Richtungsvektor;
- die von der Kontur eingeschlossene Fläche ändert sich;
- Winkel ändert.
Es ist erlaubt, EMF mit einem stationären Magneten oder einem konstanten Strom zu induzieren, aber einfach, wenn sich die Spule innerhalb des Magnetfelds um ihre Achse dreht. In diesem Fall ändert sich der magnetische Fluss, wenn sich der Winkel ändert. Die Spule kreuzt im Rotationsprozess die Kraftlinien des magnetischen Flusses, wodurch eine EMF erscheint. Bei gleichförmiger Drehung tritt eine periodische Änderung des magnetischen Flusses auf. Auch die Anzahl der Feldlinien, die sich jede Sekunde kreuzen, wird gleich den Werten in regelmäßigen Abständen.
In der Praxis bleibt bei Wechselstromgeneratoren die Spule stationär und der Elektromagnet dreht sich um sie herum.
EMF-Selbstinduktion
Wenn ein elektrischer Wechselstrom durch die Spule fließt, wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das durch einen sich ändernden magnetischen Fluss gekennzeichnet ist, der eine EMK induziert. Dieses Phänomen wird als Selbstinduktion bezeichnet.
Aufgrund der Tatsache, dass der magnetische Fluss proportional zur Intensität des elektrischen Stroms ist, sieht die Selbstinduktions-EMK-Formel folgendermaßen aus:
Ф = L x I, wobei L die Induktivität ist, die in H gemessen wird.Sein Wert wird durch die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit und den Wert ihres Querschnitts bestimmt.
Gegenseitige Induktion
Wenn zwei Spulen nebeneinander angeordnet sind, beobachten sie die EMK der gegenseitigen Induktion, die durch die Konfiguration der beiden Schaltkreise und ihre gegenseitige Ausrichtung bestimmt wird. Mit zunehmender Trennung der Stromkreise nimmt der Wert der Gegeninduktivität ab, da der magnetische Gesamtfluss für die beiden Spulen abnimmt.
Betrachten wir im Detail den Prozess der Entstehung der gegenseitigen Induktion. Es gibt zwei Spulen, Strom I1 fließt durch den Draht von einer mit N1 Windungen, wodurch ein magnetischer Fluss entsteht und durch die zweite Spule mit N2 Windungen fließt.
Der Wert der Gegeninduktivität der zweiten Spule in Bezug auf die erste:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Magnetflusswert:
F21 = (M21/N2) x I1.
Die induzierte EMK wird nach folgender Formel berechnet:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
In der ersten Spule der Wert der induzierten EMK:
E1 = - M12 x dI2/dt.
Es ist wichtig zu beachten, dass die durch gegenseitige Induktion in einer der Spulen hervorgerufene elektromotorische Kraft in jedem Fall direkt proportional zur Änderung des elektrischen Stroms in der anderen Spule ist.
Dann wird die Gegeninduktivität als gleich betrachtet:
M12 = M21 = M.
Folglich ist E1 = -M x dI2/dt und E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), wobei K der Kopplungskoeffizient zwischen den beiden Induktivitätswerten ist.
Die Gegeninduktivität wird häufig in Transformatoren verwendet, die es ermöglichen, den Wert eines elektrischen Wechselstroms zu ändern. Das Gerät besteht aus zwei Spulen, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Der Strom in der ersten Spule bildet einen sich ändernden magnetischen Fluss im Magnetkreis und einen Strom in der zweiten Spule.Bei weniger Windungen in der ersten Spule als in der zweiten steigt die Spannung, und entsprechend sinkt die Spannung bei einer größeren Windungszahl in der ersten Spule.
Neben der Erzeugung und Umwandlung elektrischer Energie wird das Phänomen der magnetischen Induktion auch in anderen Geräten genutzt. Zum Beispiel in Magnetschwebebahnen, die sich ohne direkten Kontakt mit dem Strom in den Schienen bewegen, aber aufgrund der elektromagnetischen Abstoßung einige Zentimeter höher.
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