Elektromagnētiskās indukcijas parādība ir parādība, kas sastāv no elektromotora spēka vai sprieguma iestāšanās ķermenī, kas atrodas magnētiskajā laukā, kas pastāvīgi mainās. Elektromotora spēks elektromagnētiskās indukcijas rezultātā rodas arī tad, ja ķermenis pārvietojas statiskā un nevienmērīgā magnētiskajā laukā vai griežas magnētiskajā laukā tā, ka mainās tā līnijas, kas krustojas slēgtā cilpā.
Inducētā elektriskā strāva
Ar "indukcijas" jēdzienu tiek saprasta procesa rašanās cita procesa ietekmes rezultātā. Piemēram, elektriskā strāva var tikt inducēta, tas ir, tā var parādīties, vadotni pakļaujot magnētiskajam laukam īpašā veidā. Šādu elektrisko strāvu sauc par inducētu. Nosacījumi elektriskās strāvas veidošanās elektromagnētiskās indukcijas fenomena rezultātā ir aplūkoti vēlāk rakstā.
Magnētiskā lauka jēdziens
PirmsLai sāktu pētīt elektromagnētiskās indukcijas fenomenu, ir jāsaprot, kas ir magnētiskais lauks. Vienkārši izsakoties, magnētiskais lauks ir telpas apgabals, kurā magnētiskajam materiālam piemīt magnētiskie efekti un īpašības. Šo telpas reģionu var attēlot, izmantojot līnijas, ko sauc par magnētiskā lauka līnijām. Šo līniju skaits apzīmē fizisko lielumu, ko sauc par magnētisko plūsmu. Magnētiskā lauka līnijas ir slēgtas, tās sākas magnēta ziemeļpolā un beidzas dienvidos.
Magnētiskais lauks spēj iedarboties uz jebkuriem materiāliem ar magnētiskām īpašībām, piemēram, elektriskās strāvas dzelzs vadītājiem. Šo lauku raksturo magnētiskā indukcija, ko apzīmē ar B un mēra teslās (T). Magnētiskā indukcija 1 T ir ļoti spēcīgs magnētiskais lauks, kas iedarbojas ar 1 ņūtona spēku uz 1 kulona punktveida lādiņu, kas lido perpendikulāri magnētiskā lauka līnijām ar ātrumu 1 m/s, tas ir, 1 T=1 Ns / (mCl).
Kas atklāja elektromagnētiskās indukcijas fenomenu?
Elektromagnētiskā indukcija, uz kuras principa balstās daudzas mūsdienu ierīces, tika atklāta XIX gadsimta 30. gadu sākumā. Elektromagnētiskās indukcijas fenomena atklāšanu parasti piedēvē Maiklam Faradejam (atklāšanas datums – 1831. gada 29. augusts). Zinātnieks balstījās uz dāņu fiziķa un ķīmiķa Hansa Oersteda eksperimentu rezultātiem, atklājot, ka vadītājs, caur kuru plūst elektriskā strāva, radamagnētiskais lauks ap sevi, tas ir, tas sāk parādīt magnētiskās īpašības.
Faraday, savukārt, atklāja pretēju parādību, ko atklāja Oersted. Viņš pamanīja, ka mainīgs magnētiskais lauks, ko var izveidot, mainot elektriskās strāvas parametrus vadītājā, noved pie potenciālu starpības parādīšanās jebkura strāvas vadītāja galos. Ja šos galus savieno, piemēram, caur elektrisko lampu, tad pa šādu ķēdi plūdīs elektriskā strāva.
Tā rezultātā Faradejs atklāja fizisku procesu, kura rezultātā magnētiskā lauka izmaiņu rezultātā kādā vadītājā parādās elektriskā strāva, kas ir elektromagnētiskās indukcijas parādība. Tajā pašā laikā inducētās strāvas veidošanai nav nozīmes tam, kas kustas: magnētiskais lauks vai pats vadītājs. To var viegli parādīt, veicot atbilstošu eksperimentu par elektromagnētiskās indukcijas fenomenu. Tātad, ievietojot magnētu metāla spirāles iekšpusē, mēs sākam to pārvietot. Ja caur kādu elektriskās strāvas indikatoru savienojat spirāles galus ķēdē, jūs varat redzēt strāvas izskatu. Tagad jums vajadzētu atstāt magnētu vienu un pārvietot spirāli uz augšu un uz leju attiecībā pret magnētu. Indikators parādīs arī strāvas esamību ķēdē.
Faraday eksperiments
Faraday eksperimenti sastāvēja no darba ar vadītāju un pastāvīgo magnētu. Maikls Faradejs pirmo reizi atklāja, ka tad, kad vadītājs pārvietojas magnētiskajā laukā, tā galos rodas potenciāla atšķirība. Kustīgais vadītājs sāk šķērsot magnētiskā lauka līnijas, kas simulēšī lauka maiņas sekas.
Zinātnieks atklāja, ka radušās potenciālu starpības pozitīvās un negatīvās pazīmes ir atkarīgas no virziena, kurā virzās vadītājs. Piemēram, ja vadītājs ir pacelts magnētiskajā laukā, tad iegūtajai potenciālu starpībai būs +- polaritāte, bet, ja šo vadītāju nolaiž, tad jau iegūsim -+ polaritāti. Šīs izmaiņas potenciālu zīmē, kuru starpību sauc par elektromotora spēku (EMF), noved pie tā, ka slēgtā ķēdē parādās maiņstrāva, tas ir, strāva, kas pastāvīgi maina virzienu uz pretējo.
Faradeja atklātās elektromagnētiskās indukcijas pazīmes
Zinot, kurš atklāja elektromagnētiskās indukcijas fenomenu un kāpēc pastāv inducētā strāva, mēs izskaidrosim dažas šīs parādības pazīmes. Tātad, jo ātrāk jūs pārvietojat vadītāju magnētiskajā laukā, jo lielāka būs inducētās strāvas vērtība ķēdē. Vēl viena parādības iezīme ir šāda: jo lielāka ir lauka magnētiskā indukcija, tas ir, jo spēcīgāks šis lauks, jo lielāku potenciālu starpību tas var radīt, virzot vadītāju laukā. Ja vadītājs atrodas miera stāvoklī magnētiskajā laukā, tajā nerodas EML, jo magnētiskās indukcijas līnijās, kas šķērso vadītāju, nemainās.
Elektriskās strāvas virziens un kreisās puses likums
Lai noteiktu elektromagnētiskās indukcijas fenomena rezultātā radītās elektriskās strāvas vadītājā virzienu, varatizmantojiet tā saukto kreisās rokas likumu. To var formulēt šādi: ja kreiso roku novieto tā, lai magnētiskās indukcijas līnijas, kas sākas magnēta ziemeļpolā, nonāktu plaukstā, un izvirzītais īkšķis ir vērsts vadītāja kustības virzienā. magnēta lauks, tad atlikušie četri kreisās rokas pirksti norādīs kustības virzienu vadītājā inducētā strāva.
Ir vēl viena šī noteikuma versija, tā ir šāda: ja kreisās rokas rādītājpirksts ir vērsts pa magnētiskās indukcijas līnijām un izvirzītais īkšķis ir virzīts vadītāja virzienā, tad vidējais pirksts pagriezts par 90 grādiem pret plaukstu, norādīs strāvas virzienu vadītājā.
Pašindukcijas fenomens
Hanss Kristians Oersteds atklāja magnētiskā lauka esamību ap vadītāju vai spoli ar strāvu. Zinātnieks arī atklāja, ka šī lauka īpašības ir tieši saistītas ar strāvas stiprumu un tās virzienu. Ja strāva spolē vai vadītājā ir mainīga, tad tas radīs magnētisko lauku, kas nebūs stacionārs, tas ir, tas mainīsies. Savukārt šis mainīgais lauks novedīs pie inducētas strāvas parādīšanās (elektromagnētiskās indukcijas fenomens). Indukcijas strāvas kustība vienmēr būs pretēja maiņstrāvai, kas cirkulē caur vadītāju, tas ir, tā pretosies katrai strāvas virziena maiņai vadītājā vai spolē. Šo procesu sauc par pašindukciju. Iegūtā elektriskā atšķirībapotenciālu sauc par pašindukcijas EML.
Ņemiet vērā, ka pašindukcijas parādība rodas ne tikai tad, kad mainās strāvas virziens, bet arī tad, kad tas mainās, piemēram, palielinoties pretestības samazināšanās dēļ ķēdē.
Fizikālam pretestības aprakstam, ko rada jebkādas strāvas izmaiņas ķēdē pašindukcijas dēļ, tika ieviests induktivitātes jēdziens, ko mēra henrī (par godu amerikāņu fiziķim Džozefam Henrijam). Viens Henrijs ir tāda induktivitāte, kurai, strāvai mainoties par 1 ampēru 1 sekundē, pašindukcijas procesā rodas EML, kas vienāds ar 1 voltu.
Maiņstrāva
Kad induktors sāk griezties magnētiskajā laukā, elektromagnētiskās indukcijas fenomena rezultātā tas rada inducētu strāvu. Šī elektriskā strāva ir mainīga, kas nozīmē, ka tā sistemātiski maina virzienu.
Maiņstrāva ir biežāk sastopama nekā līdzstrāva. Tātad daudzas ierīces, kas darbojas no centrālā elektrotīkla, izmanto šāda veida strāvu. Maiņstrāvu ir vieglāk inducēt un transportēt nekā līdzstrāvu. Parasti mājsaimniecības maiņstrāvas frekvence ir 50-60 Hz, tas ir, 1 sekundē tās virziens mainās 50-60 reizes.
Maiņstrāvas ģeometriskais attēlojums ir sinusoidāla līkne, kas raksturo sprieguma atkarību no laika. Pilns sinusoidālās līknes periods mājsaimniecības strāvai ir aptuveni 20 milisekundes. Saskaņā ar termisko efektu maiņstrāva ir līdzīga strāvaiLīdzstrāva, kuras spriegums ir Umax/√2, kur Umax ir maksimālais spriegums uz maiņstrāvas sinusoidālās līknes.
Elektromagnētiskās indukcijas izmantošana tehnoloģijā
Elektromagnētiskās indukcijas fenomena atklāšana izraisīja īstu tehnoloģiju attīstības uzplaukumu. Pirms šī atklājuma cilvēki varēja ražot elektroenerģiju tikai ierobežotā daudzumā, izmantojot elektriskās baterijas.
Šobrīd šo fizisko parādību izmanto elektriskajos transformatoros, sildītājos, kas pārvērš inducēto strāvu siltumā, kā arī elektromotoros un automašīnu ģeneratoros.
