Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή
Οι νόμοι του Faraday είναι ο βασικός νόμος του ηλεκτρομαγνητισμού που μας βοηθά να προβλέψουμε πώς ένα πεδίο (μαγνητικό) θα αλληλεπιδράσει με ένα κύκλωμα για να παράγει ένα EMF. Αυτό είναι γνωστό ως ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.
Ο Faraday πρότεινε τους νόμους της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής το έτος 1831. Ο νόμος του Faraday ή ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι τα αποτελέσματα των πειραμάτων του. Ο Faraday πραγματοποίησε τρία πειράματα για να ανακαλύψει το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Οποιαδήποτε αλλαγή στο μαγνητικό περιβάλλον ενός πηνίου σύρματος θα προκαλέσει παραγωγή emf στο πηνίο. Ανεξάρτητα από το πώς παράγεται η αλλαγή, θα δημιουργηθεί ένα EMF.
Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι μια διαδικασία κατά την οποία
- Ένας αγωγός τοποθετείται σε μια συγκεκριμένη θέση και το μαγνητικό πεδίο διαρκώς μεταβάλλεται
- Το μαγνητικό πεδίο είναι ακίνητο και ένας αγωγός κινείται.
Αυτό παράγει ηλεκτροκινητική δύναμη κατά μήκος του ηλεκτρικού αγωγού.
Ο Michael Faraday ανακάλυψε τον νόμο της επαγωγής το 1830.
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή είναι η επαγωγή ενός EMF από έναν αγωγό που κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο ή μια αλλαγή στη μαγνητική ροή σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Αυτό συμβαίνει όταν ένας αγωγός τοποθετείται σε ένα κινούμενο μαγνητικό πεδίο, όταν χρησιμοποιείται μια πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος ή όταν ένας αγωγός κινείται συνεχώς σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο.
Ο Michael Faraday ανακάλυψε αυτόν τον νόμο ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Κατασκεύασε ένα καλώδιο, το οποίο συνέδεσε με μια συσκευή που μετρούσε την τάση στο κύκλωμα. Η τάση στο κύκλωμα μετράται όταν ένας μαγνήτης ράβδων διέρχεται από το κύκλωμα. Η σημασία αυτού είναι ότι είναι μια μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα κύκλωμα χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία αντί για μπαταρίες. Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή χρησιμοποιείται σε μηχανήματα όπως γεννήτριες, μετασχηματιστές και κινητήρες.
Νόμος της Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής του Faraday
Πρώτος νόμος
Όταν ένας αγωγός τοποθετείται σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, παράγεται ένα επαγόμενο ηλεκτρικό κύκλωμα και εάν ο αγωγός είναι κλειστό κύκλωμα, διέρχεται ένα επαγόμενο ρεύμα.
Δεύτερος νόμος
Δηλώνει ότι το μέγεθος του επαγόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι ίσο με το ρυθμό μεταβολής της ροής.
Τύπος για Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή
Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday, με βάση τα πειράματά του, δηλώνει ότι η ποσότητα της τάσης που προκαλείται σε ένα πηνίο είναι ανάλογη με τον αριθμό των στροφών και το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο του πηνίου.
Μπορούμε τώρα να συμπεράνουμε τον τύπο,
e=N × dΦ/dt
Εδώ,
e=Επαγόμενη τάση
N =αριθμός στροφών στο πηνίο
Φ =μαγνητική ροή
t=χρόνος
Νόμος του Lenz για την Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή
Όταν ένα emf επάγει σύμφωνα με το νόμο του Faraday, η πολικότητα (κατεύθυνση) αυτού του επαγόμενου emf αντιτίθεται στην αιτία της δημιουργίας του. Αυτός είναι ο νόμος Lenz της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.
Ο τύπος του νόμου του Lenz είναι ο ακόλουθος:
E =-N (dΦ/ dt)
Δινορεύματα
Το ρεύμα στροβιλίζεται με τέτοιο τρόπο που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που αντιτίθεται στην αλλαγή. Αυτός είναι ο νόμος του Lenz της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Τα δινορεύματα σπαταλούν ενέργεια επειδή έχουν την τάση να εναντιώνονται το ένα στο άλλο. Τα δινορεύματα μετατρέπουν περισσότερα χρησιμοποιήσιμα είδη ενέργειας όπως η κινητική ενέργεια σε θερμότητα, κάτι που δεν είναι πάντα χρήσιμο. Αν και η απώλεια χρησιμοποιήσιμης ενέργειας είναι ανεπιθύμητη σε πολλές εφαρμογές, έχει ορισμένες ευεργετικές εφαρμογές.
- Στα φρένα ορισμένων τρένων. Τα φρένα εκθέτουν τους μεταλλικούς τροχούς σε μαγνητικό πεδίο κατά το φρενάρισμα, το οποίο προκαλεί τη δημιουργία δινορευμάτων στους τροχούς. Οι τροχοί επιβραδύνονται από τη μαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ του εφαρμοζόμενου πεδίου και των δινορευμάτων. Η πρόσκρουση είναι μεγαλύτερη όσο πιο γρήγορα περιστρέφονται οι τροχοί, επομένως καθώς το τρένο επιβραδύνεται, η δύναμη πέδησης μειώνεται, με αποτέλεσμα την ομαλή ακινητοποίηση.
- Υπάρχουν λίγα γαλβανόμετρα με σταθερό πυρήνα από μη μαγνητικό μεταλλικό υλικό. Όταν το πηνίο ταλαντώνεται, τα δινορεύματα του πυρήνα αντιτίθενται στην κίνηση και σταματούν το πηνίο.
- Η τήξη μετάλλων σε έναν επαγωγικό κλίβανο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κραμάτων. Τα δινορεύματα των μετάλλων δημιουργούν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες.
Εφαρμογές Ηλεκτρομαγνητικής Επαγωγής
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή σε γεννήτριες AC και ηλεκτρικούς μετασχηματιστές είναι μερικές από τις χρήσεις.
Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή σε γεννήτρια AC
Ένας πιο προηγμένος εξοπλισμός είναι η γεννήτρια AC με χωρητικότητα εξόδου 100 MV. Η αποτελεσματική περιοχή του βρόχου όταν το πηνίο περιστρέφεται σε ένα μαγνητικό πεδίο Β ισούται με Α cosθ, όπου θ είναι η γωνία μεταξύ Α και Β. Η αρχή λειτουργίας μιας βασικής γεννήτριας εναλλασσόμενου ρεύματος είναι αυτή η προσέγγιση παραγωγής μιας αλλαγής ροής. Ο άξονας του περιστρεφόμενου πηνίου είναι κάθετος στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Η μαγνητική ροή μέσω του πηνίου αλλάζει καθώς το πηνίο περιστρέφεται, προκαλώντας την επαγωγή ενός emf στο πηνίο.
Ηλεκτρικοί μετασχηματιστές
Ένας ηλεκτρικός μετασχηματιστής είναι μια άλλη βασική εφαρμογή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ένας μετασχηματιστής είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο για να μεταφέρει εναλλασσόμενο ρεύμα από το ένα επίπεδο τάσης στο άλλο. Η τάση στο πρωτεύον ενός μετασχηματιστή βαθμίδας είναι υψηλότερη από την τάση στον δευτερεύοντα. Ένας μετασχηματιστής κλιμάκωσης είναι αυτός στον οποίο η δευτερεύουσα τάση έχει πρόσθετες στροφές. Για να αυξήσουν την τάση στα 100 kV, οι εταιρείες παραγωγής ενέργειας χρησιμοποιούν έναν βαθμιδωτό μετασχηματιστή, ο οποίος μειώνει το ρεύμα και μειώνει την απώλεια ισχύος στις γραμμές μεταφοράς. Τα οικιακά κυκλώματα, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούν μετασχηματιστές υποβάθμισης για να μειώσουν την τάση στα 120 ή 240 V.
Συμπέρασμα
Αφού διεξήγαγε όλες τις δοκιμές, ο Faraday κατέληξε στο συμπέρασμα ότι εάν ένας αγωγός και ένα μαγνητικό πεδίο βρίσκονταν σε σχετική κίνηση, η σύζευξη ροής με ένα πηνίο άλλαξε και αυτή η αλλαγή στη ροή δημιούργησε μια τάση σε ένα πηνίο.
Η ηλεκτροκινητική δύναμη παράγεται όταν η μαγνητική ροή ή το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται με το χρόνο, σύμφωνα με το νόμο του Faraday. Με βάση τα προηγούμενα πειράματα, ο Michael Faraday δημιούργησε επίσης τους παραπάνω διάσημους νόμους.
