Fenomenet elektromagnetisk induktion är ett fenomen som består i förekomsten av en elektromotorisk kraft eller spänning i en kropp belägen i ett magnetfält som ständigt förändras. En elektromotorisk kraft till följd av elektromagnetisk induktion uppstår också om en kropp rör sig i ett statiskt och ojämnt magnetfält, eller roterar i ett magnetfält så att dess linjer som skär en sluten slinga förändras.
Inducerad elektrisk ström
Under begreppet "induktion" menas uppkomsten av en process som ett resultat av inverkan av en annan process. Till exempel kan en elektrisk ström induceras, det vill säga den kan uppstå som ett resultat av att en ledare exponeras för ett magnetfält på ett speciellt sätt. En sådan elektrisk ström kallas inducerad. Villkoren för bildandet av en elektrisk ström som ett resultat av fenomenet elektromagnetisk induktion diskuteras senare i artikeln.
Begreppet magnetfält
FöreFör att börja studera fenomenet elektromagnetisk induktion är det nödvändigt att förstå vad ett magnetfält är. Enkelt uttryckt är ett magnetfält ett område i rymden där ett magnetiskt material uppvisar sina magnetiska effekter och egenskaper. Denna region av rymden kan avbildas med hjälp av linjer som kallas magnetfältlinjer. Antalet av dessa linjer representerar en fysisk storhet som kallas magnetiskt flöde. Magnetfältslinjerna är stängda, de börjar vid magnetens nordpol och slutar i söder.
Magnetiskt fält har förmågan att verka på alla material med magnetiska egenskaper, såsom järnledare av elektrisk ström. Detta fält kännetecknas av magnetisk induktion, som betecknas B och mäts i tesla (T). En magnetisk induktion på 1 T är ett mycket starkt magnetfält som verkar med en kraft av 1 newton på en punktladdning på 1 coulomb, som flyger vinkelrätt mot magnetfältslinjerna med en hastighet av 1 m/s, det vill säga 1 T=1 Ns / (mCl).
Vem upptäckte fenomenet elektromagnetisk induktion?
Elektromagnetisk induktion, på den princip som många moderna enheter är baserade på, upptäcktes i början av 30-talet av XIX-talet. Upptäckten av fenomenet elektromagnetisk induktion tillskrivs vanligtvis Michael Faraday (upptäcktsdatum - 29 augusti 1831). Forskaren baserade sig på resultaten av experimenten från den danske fysikern och kemisten Hans Oersted, som upptäckte att en ledare genom vilken en elektrisk ström flyter skaparett magnetfält runt sig själv, det vill säga det börjar visa magnetiska egenskaper.
Faraday upptäckte i sin tur motsatsen till fenomenet som upptäcktes av Oersted. Han märkte att ett föränderligt magnetfält, som kan skapas genom att ändra parametrarna för den elektriska strömmen i ledaren, leder till uppkomsten av en potentialskillnad i ändarna av vilken strömledare som helst. Om dessa ändar är anslutna, till exempel genom en elektrisk lampa, kommer en elektrisk ström att flyta genom en sådan krets.
Som ett resultat upptäckte Faraday en fysisk process, som ett resultat av vilken en elektrisk ström uppträder i en ledare på grund av en förändring i magnetfältet, vilket är fenomenet elektromagnetisk induktion. Samtidigt, för bildandet av en inducerad ström, spelar det ingen roll vad som rör sig: magnetfältet eller själva ledaren. Detta kan enkelt visas genom att utföra ett lämpligt experiment på fenomenet elektromagnetisk induktion. Så efter att ha placerat magneten inuti metallspiralen börjar vi flytta den. Om du ansluter spiralens ändar genom någon indikator på elektrisk ström till en krets, kan du se utseendet på ström. Nu ska du lämna magneten ifred och flytta spiralen upp och ner i förhållande till magneten. Indikatorn kommer också att visa förekomsten av ström i kretsen.
Faraday-experiment
Faradays experiment bestod av att arbeta med en ledare och en permanentmagnet. Michael Faraday upptäckte först att när en ledare rör sig inuti ett magnetfält, uppstår en potentialskillnad i dess ändar. Den rörliga ledaren börjar korsa magnetfältslinjerna, vilket simulerareffekten av att ändra detta fält.
Forskaren upptäckte att de positiva och negativa tecknen på den resulterande potentialskillnaden beror på i vilken riktning ledaren rör sig. Till exempel, om ledaren höjs i ett magnetiskt fält, kommer den resulterande potentialskillnaden att ha en +- polaritet, men om denna ledare sänks, kommer vi redan att få en -+ polaritet. Dessa förändringar i potentialernas tecken, vars skillnad kallas den elektromotoriska kraften (EMF), leder till att det i en sluten krets uppstår en växelström, det vill säga en ström som ständigt ändrar sin riktning till den motsatta.
Funktioner hos elektromagnetisk induktion upptäckt av Faraday
När vi vet vem som upptäckte fenomenet elektromagnetisk induktion och varför det finns en inducerad ström, kommer vi att förklara några av egenskaperna hos detta fenomen. Så ju snabbare du flyttar ledaren i ett magnetfält, desto större blir värdet på den inducerade strömmen i kretsen. En annan egenskap hos fenomenet är följande: ju större magnetisk induktion av fältet, det vill säga ju starkare detta fält, desto större potentialskillnad kan det skapa när ledaren flyttas i fältet. Om ledaren är i vila i ett magnetfält, uppstår ingen EMF i det, eftersom det inte finns någon förändring i de magnetiska induktionslinjerna som korsar ledaren.
Elektrisk strömriktning och vänsterhandsregel
För att bestämma riktningen i ledaren för elektrisk ström som skapas som ett resultat av fenomenet elektromagnetisk induktion, kan duanvända den så kallade vänsterhandsregeln. Det kan formuleras enligt följande: om vänster hand placeras så att linjerna för magnetisk induktion, som börjar vid magnetens nordpol, kommer in i handflatan och den utskjutande tummen riktas i ledarens rörelseriktning i magnetens fält, då kommer de återstående fyra fingrarna på vänster hand att indikera rörelseriktningen inducerad ström i ledaren.
Det finns en annan version av denna regel, den är som följer: om pekfingret på vänster hand är riktat längs linjerna för magnetisk induktion och den utskjutande tummen är riktad i riktning mot ledaren, då långfingret vridet 90 grader mot handflatan kommer att indikera riktningen för den visade strömmen i ledaren.
Fenomenet självinduktion
Hans Christian Oersted upptäckte förekomsten av ett magnetfält runt en ledare eller spole med ström. Forskaren fann också att egenskaperna hos detta fält är direkt relaterade till strömstyrkan och dess riktning. Om strömmen i spolen eller ledaren är variabel, kommer den att generera ett magnetfält som inte kommer att vara stationärt, det vill säga det kommer att förändras. I sin tur kommer detta växelfält att leda till uppkomsten av en inducerad ström (fenomenet elektromagnetisk induktion). Induktionsströmmens rörelse kommer alltid att vara motsatt den växelström som cirkulerar genom ledaren, det vill säga den kommer att motstå varje förändring i strömriktningen i ledaren eller spolen. Denna process kallas självinduktion. Den resulterande elektriska skillnadenpotentialer kallas självinduktionens EMF.
Observera att fenomenet självinduktion inte bara uppstår när strömriktningen ändras, utan även när den ändras, till exempel när den ökar på grund av ett minskat motstånd i kretsen.
För den fysiska beskrivningen av motståndet som utövas av varje förändring i ström i en krets på grund av självinduktion, introducerades begreppet induktans, som mäts i henries (till ära av den amerikanske fysikern Joseph Henry). En Henry är en sådan induktans för vilken, när strömmen ändras med 1 ampere på 1 sekund, uppstår en EMF i processen för självinduktion, lika med 1 volt.
Växelström
När en induktor börjar rotera i ett magnetfält, som ett resultat av fenomenet elektromagnetisk induktion, skapar den en inducerad ström. Denna elektriska ström är variabel, vilket innebär att den ändrar riktning systematiskt.
Växelström är vanligare än likström. Så många enheter som fungerar från det centrala elektriska nätverket använder denna typ av ström. Växelström är lättare att inducera och transportera än likström. Som regel är frekvensen för hushållsväxelström 50-60 Hz, det vill säga på 1 sekund ändras dess riktning 50-60 gånger.
Den geometriska representationen av växelström är en sinusformad kurva som beskriver spänningens beroende av tiden. Hela perioden för den sinusformade kurvan för hushållsström är cirka 20 millisekunder. Enligt den termiska effekten liknar växelström strömDC, vars spänning är Umax/√2, där Umax är den maximala spänningen på den sinusformade AC-kurvan.
Användningen av elektromagnetisk induktion i teknik
Upptäckten av fenomenet elektromagnetisk induktion gav en verklig boom i utvecklingen av teknik. Före denna upptäckt kunde människor bara generera elektricitet i begränsade mängder med hjälp av elektriska batterier.
För närvarande används detta fysiska fenomen i elektriska transformatorer, i värmare som omvandlar inducerad ström till värme, och i elmotorer och bilgeneratorer.
