Het fenomeen van elektromagnetische inductie is een fenomeen dat bestaat uit het optreden van een elektromotorische kracht of spanning in een lichaam dat zich in een magnetisch veld bevindt dat voortdurend verandert. Een elektromotorische kracht als gevolg van elektromagnetische inductie ontstaat ook als een lichaam beweegt in een statisch en niet-uniform magnetisch veld, of roteert in een magnetisch veld zodat de lijnen die een gesloten lus kruisen veranderen.
Geïnduceerde elektrische stroom
Onder het begrip "inductie" wordt verstaan het ontstaan van een proces als gevolg van de impact van een ander proces. Er kan bijvoorbeeld een elektrische stroom worden geïnduceerd, dat wil zeggen dat deze kan verschijnen als gevolg van het op een speciale manier blootstellen van een geleider aan een magnetisch veld. Zo'n elektrische stroom wordt geïnduceerd genoemd. De voorwaarden voor de vorming van een elektrische stroom als gevolg van het fenomeen van elektromagnetische inductie worden later in het artikel besproken.
Het concept van een magnetisch veld
VoorOm te beginnen met het bestuderen van het fenomeen van elektromagnetische inductie, is het noodzakelijk om te begrijpen wat een magnetisch veld is. In eenvoudige bewoordingen is een magnetisch veld een gebied in de ruimte waarin een magnetisch materiaal zijn magnetische effecten en eigenschappen vertoont. Dit gebied van de ruimte kan worden afgebeeld met behulp van lijnen die magnetische veldlijnen worden genoemd. Het aantal van deze lijnen vertegenwoordigt een fysieke grootheid die magnetische flux wordt genoemd. De magnetische veldlijnen zijn gesloten, ze beginnen bij de noordpool van de magneet en eindigen bij het zuiden.
Magnetisch veld kan inwerken op alle materialen met magnetische eigenschappen, zoals ijzeren geleiders van elektrische stroom. Dit veld wordt gekenmerkt door magnetische inductie, die wordt aangeduid met B en wordt gemeten in teslas (T). Een magnetische inductie van 1 T is een zeer sterk magnetisch veld dat met een kracht van 1 newton inwerkt op een puntlading van 1 coulomb, dat loodrecht op de magnetische veldlijnen vliegt met een snelheid van 1 m / s, dat wil zeggen 1 T=1 Ns / (mCl).
Wie heeft het fenomeen elektromagnetische inductie ontdekt?
Elektromagnetische inductie, waarop veel moderne apparaten zijn gebaseerd, werd ontdekt in de vroege jaren '30 van de 19e eeuw. De ontdekking van het fenomeen elektromagnetische inductie wordt meestal toegeschreven aan Michael Faraday (datum van ontdekking - 29 augustus 1831). De wetenschapper was gebaseerd op de resultaten van de experimenten van de Deense natuurkundige en scheikundige Hans Oersted, die ontdekte dat een geleider waardoor een elektrische stroom vloeit ontstaateen magnetisch veld om zich heen, dat wil zeggen, het begint magnetische eigenschappen te vertonen.
Faraday ontdekte op zijn beurt het tegenovergestelde van het fenomeen dat Oersted ontdekte. Hij merkte op dat een veranderend magnetisch veld, dat kan worden gecreëerd door de parameters van de elektrische stroom in de geleider te veranderen, leidt tot het verschijnen van een potentiaalverschil aan de uiteinden van een stroomgeleider. Als deze uiteinden verbonden zijn, bijvoorbeeld via een elektrische lamp, dan zal er een elektrische stroom door zo'n circuit vloeien.
Hierdoor ontdekte Faraday een fysiek proces, waardoor een elektrische stroom in een geleider verschijnt als gevolg van een verandering in het magnetische veld, het fenomeen van elektromagnetische inductie. Tegelijkertijd maakt het voor de vorming van een inductiestroom niet uit wat er beweegt: het magnetische veld of de geleider zelf. Dit kan eenvoudig worden aangetoond door een geschikt experiment uit te voeren met het fenomeen elektromagnetische inductie. Dus, nadat we de magneet in de metalen spiraal hebben geplaatst, beginnen we hem te verplaatsen. Als je de uiteinden van de spiraal via een indicator van elektrische stroom in een circuit verbindt, kun je het uiterlijk van stroom zien. Nu moet je de magneet met rust laten en de spiraal op en neer bewegen ten opzichte van de magneet. De indicator geeft ook de aanwezigheid van stroom in het circuit aan.
Faraday-experiment
Faraday's experimenten bestonden uit het werken met een geleider en een permanente magneet. Michael Faraday ontdekte voor het eerst dat wanneer een geleider in een magnetisch veld beweegt, er aan de uiteinden een potentiaalverschil ontstaat. De bewegende geleider begint de magnetische veldlijnen te kruisen, wat simuleert:het effect van het wijzigen van dit veld.
De wetenschapper ontdekte dat de positieve en negatieve tekens van het resulterende potentiaalverschil afhangen van de richting waarin de geleider beweegt. Als de geleider bijvoorbeeld in een magnetisch veld wordt verhoogd, dan zal het resulterende potentiaalverschil een +- polariteit hebben, maar als deze geleider wordt verlaagd, krijgen we al een -+ polariteit. Deze veranderingen in het teken van de potentialen, waarvan het verschil de elektromotorische kracht (EMF) wordt genoemd, leiden tot het verschijnen in een gesloten circuit van een wisselstroom, dat wil zeggen een stroom die constant van richting verandert in het tegenovergestelde.
Kenmerken van elektromagnetische inductie ontdekt door Faraday
Weten wie het fenomeen van elektromagnetische inductie heeft ontdekt en waarom er een geïnduceerde stroom is, zullen enkele kenmerken van dit fenomeen uitleggen. Dus hoe sneller je de geleider in een magnetisch veld beweegt, hoe groter de waarde van de geïnduceerde stroom in het circuit zal zijn. Een ander kenmerk van het fenomeen is als volgt: hoe groter de magnetische inductie van het veld, dat wil zeggen, hoe sterker dit veld, hoe groter het potentiaalverschil dat het kan creëren bij het verplaatsen van de geleider in het veld. Als de geleider in rust is in een magnetisch veld, ontstaat er geen EMF in, omdat er geen verandering is in de lijnen van magnetische inductie die de geleider kruisen.
Elektrische stroomrichting en linkerhandregel
Om de richting in de geleider van elektrische stroom te bepalen die wordt gecreëerd als gevolg van het fenomeen van elektromagnetische inductie, kunt u:gebruik de zogenaamde linkerhandregel. Het kan als volgt worden geformuleerd: als de linkerhand zo wordt geplaatst dat de magnetische inductielijnen, die beginnen bij de noordpool van de magneet, de handpalm binnengaan en de uitstekende duim in de bewegingsrichting van de geleider in het veld van de magneet, dan zullen de resterende vier vingers van de linkerhand de bewegingsrichting aangeven, geïnduceerde stroom in de geleider.
Er is een andere versie van deze regel, deze is als volgt: als de wijsvinger van de linkerhand langs de lijnen van magnetische inductie is gericht en de uitstekende duim in de richting van de geleider, dan is de middelvinger die 90 graden naar de handpalm is gedraaid, geeft de richting aan van de verschenen stroom in de geleider.
Het fenomeen van zelfinductie
Hans Christian Oersted ontdekte het bestaan van een magnetisch veld rond een geleider of spoel met stroom. De wetenschapper ontdekte ook dat de kenmerken van dit veld rechtstreeks verband houden met de sterkte van de stroom en de richting ervan. Als de stroom in de spoel of geleider variabel is, zal deze een magnetisch veld genereren dat niet stationair zal zijn, dat wil zeggen, het zal veranderen. Dit wisselveld zal op zijn beurt leiden tot het optreden van een geïnduceerde stroom (het fenomeen van elektromagnetische inductie). De beweging van de inductiestroom zal altijd tegengesteld zijn aan de wisselstroom die door de geleider circuleert, dat wil zeggen, het zal elke verandering in de richting van de stroom in de geleider of spoel weerstaan. Dit proces wordt zelfinductie genoemd. Het resulterende elektrische verschil:potentiëlen wordt de EMF van zelfinductie genoemd.
Merk op dat het fenomeen van zelfinductie niet alleen optreedt wanneer de richting van de stroom verandert, maar ook wanneer deze verandert, bijvoorbeeld wanneer deze toeneemt als gevolg van een afname van de weerstand in het circuit.
Voor de fysieke beschrijving van de weerstand die wordt uitgeoefend door elke verandering in stroom in een circuit als gevolg van zelfinductie, werd het concept van inductantie geïntroduceerd, dat wordt gemeten in henries (ter ere van de Amerikaanse natuurkundige Joseph Henry). Eén Henry is zo'n inductantie waarvoor, wanneer de stroom verandert met 1 ampère in 1 seconde, een EMF ontstaat tijdens het proces van zelfinductie, gelijk aan 1 volt.
Wisselstroom
Wanneer een inductor begint te draaien in een magnetisch veld, als gevolg van het fenomeen van elektromagnetische inductie, creëert deze een geïnduceerde stroom. Deze elektrische stroom is variabel, wat betekent dat hij systematisch van richting verandert.
Wisselstroom komt vaker voor dan gelijkstroom. Dus veel apparaten die werken vanuit het centrale elektrische netwerk gebruiken dit type stroom. Wisselstroom is gemakkelijker op te wekken en te transporteren dan gelijkstroom. In de regel is de frequentie van huishoudelijke wisselstroom 50-60 Hz, dat wil zeggen, in 1 seconde verandert de richting 50-60 keer.
De geometrische weergave van wisselstroom is een sinusvormige curve die de afhankelijkheid van spanning op tijd beschrijft. De volledige periode van de sinusvormige curve voor huishoudstroom is ongeveer 20 milliseconden. Volgens het thermische effect is wisselstroom vergelijkbaar met stroomDC, waarvan de spanning Umax/√2 is, waarbij Umax de maximale spanning op de sinusvormige AC-curve is.
Het gebruik van elektromagnetische inductie in technologie
De ontdekking van het fenomeen van elektromagnetische inductie zorgde voor een echte hausse in de ontwikkeling van technologie. Voorafgaand aan deze ontdekking waren mensen alleen in staat om elektriciteit op te wekken in beperkte hoeveelheden met behulp van elektrische batterijen.
Momenteel wordt dit fysische fenomeen gebruikt in elektrische transformatoren, in verwarmingstoestellen die geïnduceerde stroom omzetten in warmte, en in elektrische motoren en autogeneratoren.
