Faradayn sähkömagneettisen induktion lain käytännön sovellus
Sana "induktio" tarkoittaa venäjäksi kiihtymisen, suunnan, jonkin luomisen prosesseja. Sähkötekniikassa tätä termiä on käytetty yli kaksi vuosisataa.
Luettuaan vuoden 1821 julkaisut, joissa kuvataan tanskalaisen tiedemiehen Oerstedin kokeita magneettineulan taipumista lähellä sähkövirtaa kuljettavaa johtimia, Michael Faraday asetti itselleen tehtävän: muuntaa magnetismi sähköksi.
10 vuoden tutkimuksen jälkeen hän muotoili sähkömagneettisen induktion peruslain selittäen, että sähkömotorinen voima indusoituu missä tahansa suljetussa silmukassa. Sen arvo määräytyy tarkasteltavan silmukan läpäisevän magneettivuon muutosnopeudella, mutta otetaan miinusmerkillä.
Sähkömagneettisten aaltojen siirto etäältä
Ensimmäinen tiedemiehen mieleen tullut arvaus ei kruunannut käytännön menestystä.
Hän asetti kaksi suljettua johtoa vierekkäin.Toisen viereen asensin magneettineulan kulkevan virran osoittimeksi ja toiseen johtoon annoin impulssin tuolloin voimakkaasta galvaanisesta lähteestä: volttinapasta.
Tutkija oletti, että ensimmäisen piirin virtapulssilla sen muuttuva magneettikenttä indusoisi toiseen johtimeen virran, joka kääntäisi magneettisen neulan. Mutta tulos osoittautui negatiiviseksi - indikaattori ei toimi. Pikemminkin häneltä puuttui herkkyys.
Tieteilijän aivot ennakoivat sähkömagneettisten aaltojen luomisen ja siirron etäältä, joita nykyään käytetään radiolähetyksissä, televisiossa, langattomassa ohjauksessa, Wi-Fi-tekniikoissa ja vastaavissa laitteissa. Hän oli yksinkertaisesti turhautunut silloisten mittalaitteiden epätäydelliseen elementtipohjaan.
Sähkön tuotanto
Huonon kokeen jälkeen Michael Faraday muutti kokeen olosuhteita.
Faraday käytti kokeessa kahta suljetun silmukan kelaa. Ensimmäisessä piirissä hän syötti sähkövirtaa lähteestä, ja toisessa hän havaitsi EMF:n ilmestymisen. Kelan #1 kierrosten läpi kulkeva virta luo magneettivuon kelan ympärille, läpäisee kelan #2 ja muodostaa siihen sähkömotorisen voiman.
Faradayn kokeilun aikana:
- kytke pulssi päälle jännitteen syöttämiseksi piiriin kiinteillä keloilla;
- kun virta käytettiin, se vei ylemmän kelan alempaan kelaan;
- kiinteä kela nro 1 pysyvästi ja laitettu siihen kela nro 2;
- muutti kelojen liikenopeutta suhteessa toisiinsa.
Kaikissa näissä tapauksissa hän havaitsi EMF-induktion ilmentymisen toisessa kelassa. Ja vain tasavirta kulki käämin nro 1 ja kiinteiden kelojen läpi, sähkömoottoria ei ollut.
Tiedemies päätti, että toisessa kelassa indusoitu EMF riippuu magneettivuon muutosnopeudesta. Se on verrannollinen kokoonsa.
Sama kuvio ilmenee täysin suljetun silmukan ohittaessa kestomagneetin magneettikenttäviivat. EMF:n vaikutuksesta johdossa syntyy sähkövirtaa.
Magneettivuo kyseisessä tapauksessa muuttuu suljetun piirin muodostamassa silmukassa Sk.
Näin ollen Faradayn kehittämä kehitys mahdollisti pyörivän johtavan kehyksen sijoittamisen magneettikenttään.
Sitten se tehtiin suuresta määrästä pyöriviin laakereihin kiinnitettyjä kierroksia, käämin päihin asennettiin liukurenkaat ja niillä liukuvat harjat ja kuorma kytkettiin kotelon liittimien kautta. Tuloksena on moderni laturi.
Sen yksinkertaisempi rakenne syntyy, kun kela kiinnitetään kiinteään koteloon ja magneettijärjestelmä alkaa pyöriä. Tässä tapauksessa virtojen generointimenetelmä johtuu elektromagneettinen induktio ei rikottu millään tavalla.
Sähkömoottorien toimintaperiaate
Michael Faradayn edelläkävijä sähkömagneettisen induktion laki mahdollistaa monenlaiset sähkömoottorimallit. Niillä on samanlainen rakenne kuin generaattoreilla: liikkuva roottori ja staattori, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa pyörivien sähkömagneettisten kenttien vuoksi.
Sähkövirta kulkee vain sähkömoottorin staattorikäämin läpi. Se indusoi magneettivuon, joka vaikuttaa roottorin magneettikenttään. Tämän seurauksena syntyy voimia, jotka pyörittävät moottorin akselia. Katso tästä aiheesta - Sähkömoottorin toimintaperiaate ja laite
Sähkön muunnos
Michael Faraday määritti indusoidun sähkömotorisen voiman ja indusoidun virran esiintymisen läheisessä kelassa, kun viereisen kelan magneettikenttä muuttui.
Läheisen kelan virta indusoituu, kun kytkinpiiri kytketään päälle kelassa 1, ja se on aina läsnä generaattorin toiminnan aikana kelaan 3.
Kaikkien nykyaikaisten muuntajalaitteiden toiminta perustuu tähän ominaisuuteen, niin sanottuun keskinäiseen induktioon.
Muuntajat siirtävät keskinäisen induktion vuoksi vaihtuvan sähkömagneettisen kentän energiaa kelasta toiseen, joten tapahtuu muutos, jännitteen arvon muutos sen tulo- ja lähtöliittimissä.
Käämien kierrosten lukumäärän suhde määrää muunnoskertoimen ja langan paksuuden, ydinmateriaalin rakenteen ja tilavuuden - lähetetyn tehon arvon, käyttövirran.
Induktorien toiminta
Sähkömagneettisen induktion ilmeneminen havaitaan kelassa, kun siinä virtaavan virran arvo muuttuu. Tätä prosessia kutsutaan itseinduktioksi.
Kun kytkin kytketään päälle yllä olevassa kaaviossa, indusoitunut virta muuttaa käyttövirran lineaarisen kasvun luonnetta piirissä sekä sammutuksen aikana.
Kun käämiin kierrettyyn johtoon ei kohdisteta vakiota, vaan vaihtojännitettä, sen läpi virtaa induktiivisella resistanssilla vähennetty virran arvo.Itseinduktioenergian vaihe-siirtää virtaa suhteessa käytettyyn jännitteeseen.
Tätä ilmiötä käytetään kuristimissa, jotka on suunniteltu vähentämään suuria virtoja, joita esiintyy tietyissä käyttöolosuhteissa. Erityisesti tällaisia laitteita käytetään loistelamppujen sytytyspiirissä.
Kuristimen magneettipiirin suunnittelun piirre on levyjen leikkaus, joka on luotu lisäämään edelleen magneettivuon magneettista vastusta ilmaraon muodostumisen vuoksi.
Kuristimia, joissa on jaettu ja säädettävä magneettipiirin asento, käytetään monissa radio- ja sähkölaitteissa. Melko usein niitä löytyy hitsausmuuntajien rakentamisesta. Ne vähentävät elektrodin läpi kulkevan valokaaren suuruutta optimaaliseen arvoon.
Induktiouunit
Sähkömagneettisen induktion ilmiö ei ilmene vain johtoissa ja keloissa, vaan myös kaikkien massiivisten metalliesineiden sisällä. Niissä indusoituvia virtoja kutsutaan yleensä pyörrevirroiksi, jotka aiheuttavat muuntajien ja kuristimien toiminnan aikana magneettipiirin ja koko rakenteen kuumenemista.
Tämän ilmiön estämiseksi ytimet on valmistettu ohuista metallilevyistä ja eristetty lakkakerroksella, joka estää indusoituneiden virtojen kulkeutumisen.
Lämmitysrakenteissa pyörrevirrat eivät rajoita, vaan luovat suotuisimmat olosuhteet niiden kulkemiselle. Induktiouunit käytetään laajalti teollisessa tuotannossa korkeiden lämpötilojen luomiseen.
Sähkötekniset mittauslaitteet
Laaja luokka induktiolaitteita jatkaa toimintaansa sähkössä.Sähkömittarit, joissa on pyörivä alumiinilevy, joka on samanlainen kuin tehoreleen rakenne, vaimennuspyöräjärjestelmät, toimivat sähkömagneettisen induktion periaatteella.
Magneettiset kaasugeneraattorit
Jos suljetun kehyksen sijasta johtava kaasu, neste tai plasma liikkuu magneetin kentässä, sähkövaraukset magneettikenttälinjojen vaikutuksesta alkavat poiketa tiukasti määriteltyihin suuntiin muodostaen sähkövirran. Sen magneettikenttä asennettuihin elektrodien kosketuslevyihin indusoi sähkömotorisen voiman. Sen vaikutuksesta MHD-generaattoriin kytketyssä piirissä syntyy sähkövirta.
Siten sähkömagneettisen induktion laki ilmenee MHD-generaattoreissa.
Siinä ei ole monimutkaisia pyöriviä osia, kuten roottori. Tämä yksinkertaistaa suunnittelua, antaa sinun nostaa merkittävästi työympäristön lämpötilaa ja samalla sähköntuotannon tehokkuutta. MHD-generaattorit toimivat vara- tai hätälähteinä, jotka pystyvät tuottamaan merkittäviä sähkövirtoja lyhyen ajan.
Näin ollen sähkömagneettisen induktion laki, jonka Michael Faraday aikoinaan perusteli, on edelleen ajankohtainen.