Praktyczne zastosowanie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya
Słowo „indukcja” w języku rosyjskim oznacza procesy wzbudzania, kierowania, tworzenia czegoś. W elektrotechnice termin ten jest używany od ponad dwóch stuleci.
Po przeczytaniu publikacji z 1821 roku opisujących eksperymenty duńskiego naukowca Oersteda dotyczące odchyleń igły magnetycznej w pobliżu przewodnika z prądem elektrycznym, Michael Faraday postawił sobie zadanie: przekształcić magnetyzm w elektryczność.
Po 10 latach badań sformułował podstawowe prawo indukcji elektromagnetycznej, wyjaśniając, że siła elektromotoryczna jest indukowana w dowolnej pętli zamkniętej. Jego wartość jest określona przez szybkość zmiany strumienia magnetycznego przenikającego przez rozważaną pętlę, ale przyjmowana ze znakiem minus.
Transmisja fal elektromagnetycznych na odległość
Pierwsze przypuszczenie, które przyszło do głowy naukowcowi, nie zakończyło się praktycznym sukcesem.
Położył obok siebie dwa zamknięte druty.W pobliżu jednego zainstalowałem igłę magnetyczną jako wskaźnik przepływającego prądu, aw drugim przewodzie podałem impuls z potężnego źródła galwanicznego tamtych czasów: słupa wolta.
Badacz postawił hipotezę, że przy impulsie prądu w pierwszym obwodzie zmieniające się w nim pole magnetyczne indukuje prąd w drugim przewodzie, który odchyli igłę magnetyczną. Ale wynik okazał się negatywny - wskaźnik nie działa. Brakowało mu raczej wrażliwości.
Mózg naukowca przewiduje tworzenie i transmisję fal elektromagnetycznych na odległość, które są obecnie wykorzystywane w radiu, telewizji, sterowaniu bezprzewodowym, technologiach Wi-Fi i podobnych urządzeniach. Był po prostu sfrustrowany niedoskonałą bazą elementarną ówczesnych urządzeń pomiarowych.
Produkcja energii elektrycznej
Po złym eksperymencie Michael Faraday zmienił warunki eksperymentu.
Do eksperymentu Faraday użył dwóch cewek w pętli zamkniętej. W pierwszym obwodzie zasilił prąd elektryczny ze źródła, aw drugim zaobserwował pojawienie się pola elektromagnetycznego. Prąd przepływający przez zwoje cewki nr 1 wytwarza strumień magnetyczny wokół cewki, przenika do cewki nr 2 i formuje w niej siłę elektromotoryczną.
Podczas eksperymentu Faradaya:
- włączyć impuls, aby podać napięcie do obwodu ze nieruchomymi cewkami;
- po przyłożeniu prądu wprowadzał cewkę górną do cewki dolnej;
- zamocowałem na stałe cewkę nr 1 i wprowadziłem do niej cewkę nr 2;
- zmienił prędkość ruchu cewek względem siebie.
We wszystkich tych przypadkach obserwował manifestację indukcji pola elektromagnetycznego w drugiej cewce. A przy przepływie tylko prądu stałego przez uzwojenie nr 1 i nieruchome cewki nie było siły elektromotorycznej.
Naukowiec ustalił, że pole elektromagnetyczne indukowane w drugiej cewce zależy od szybkości zmian strumienia magnetycznego. Jest proporcjonalny do swojej wielkości.
Ten sam wzór jest w pełni manifestowany podczas przechodzenia przez zamkniętą pętlę linie pola magnetycznego magnesu trwałego. Pod wpływem pola elektromagnetycznego w przewodzie generowany jest prąd elektryczny.
Strumień magnetyczny w rozpatrywanym przypadku zmienia się w pętli Sk utworzonej przez obwód zamknięty.
W ten sposób rozwój stworzony przez Faradaya umożliwił umieszczenie obracającej się ramy przewodzącej w polu magnetycznym.
Następnie składał się z dużej liczby zwojów osadzonych w łożyskach obrotowych.Na końcach cewki zamontowano pierścienie ślizgowe i ślizgające się po nich szczotki, a poprzez zaciski obudowy podłączono obciążenie. Rezultatem jest nowoczesny alternator.
Jego prostsza konstrukcja powstaje, gdy cewka jest zamocowana na nieruchomej obudowie, a układ magnetyczny zaczyna się obracać. W tym przypadku metoda generowania prądów wynika z Indukcja elektromagnetyczna nie naruszone w żaden sposób.
Zasada działania silników elektrycznych
Prawo indukcji elektromagnetycznej, którego pionierem był Michael Faradaya, pozwala na różne konstrukcje silników elektrycznych. Mają podobną budowę do generatorów: ruchomy wirnik i stojan, które oddziałują na siebie za pomocą wirujących pól elektromagnetycznych.
Prąd elektryczny przepływa tylko przez uzwojenie stojana silnika elektrycznego. Indukuje strumień magnetyczny, który wpływa na pole magnetyczne wirnika. W rezultacie powstają siły, które obracają wał silnika. Zobacz na ten temat — Zasada działania i urządzenie silnika elektrycznego
Transformacja energii elektrycznej
Michael Faraday określił pojawienie się indukowanej siły elektromotorycznej i indukowanego prądu w pobliskiej cewce, gdy zmienia się pole magnetyczne w sąsiedniej cewce.
Prąd w pobliskiej cewce jest indukowany, gdy obwód przełącznika jest włączony w cewce 1 i jest zawsze obecny podczas pracy generatora na cewce 3.
Działanie wszystkich nowoczesnych urządzeń transformatorowych opiera się na tej właściwości, tzw. wzajemnej indukcji.
Transformatory, dzięki wzajemnej indukcji, przenoszą energię zmiennego pola elektromagnetycznego z jednej cewki do drugiej, w wyniku czego następuje zmiana, czyli przekształcenie wartości napięcia na jego zaciskach wejściowych i wyjściowych.
Stosunek liczby zwojów w uzwojeniach określa współczynnik transformacji, a grubość drutu, budowę i objętość materiału rdzenia — wartość przesyłanej mocy, prąd roboczy.
Działanie induktorów
Przejaw indukcji elektromagnetycznej obserwuje się w cewce, gdy zmienia się wartość płynącego w niej prądu. Ten proces nazywa się samoindukcją.
Gdy przełącznik jest włączony na powyższym schemacie, indukowany prąd zmienia charakter liniowego wzrostu prądu roboczego w obwodzie, jak również podczas wyłączania.
Gdy do drutu nawiniętego w cewce zostanie przyłożone napięcie nie stałe, ale zmienne, wówczas przepływa przez niego wartość prądu pomniejszona o rezystancję indukcyjną.Energia samoindukcji przesuwa fazę prądu względem przyłożonego napięcia.
Zjawisko to jest wykorzystywane w dławikach zaprojektowanych w celu zmniejszenia dużych prądów występujących w określonych warunkach pracy. W szczególności stosuje się takie urządzenia w obwodzie do oświetlenia świetlówek.
Cechą konstrukcji obwodu magnetycznego dławika jest wycięcie płytek, które jest tworzone w celu dalszego zwiększenia oporu magnetycznego strumienia magnetycznego w wyniku powstania szczeliny powietrznej.
Dławiki z dzielonym i regulowanym położeniem obwodu magnetycznego znajdują zastosowanie w wielu urządzeniach radiowych i elektrycznych. Dość często można je spotkać w konstrukcji transformatorów spawalniczych. Zmniejszają wielkość łuku elektrycznego przechodzącego przez elektrodę do optymalnej wartości.
Piece indukcyjne
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej objawia się nie tylko w drutach i cewkach, ale także wewnątrz wszelkich masywnych metalowych przedmiotów. Indukowane w nich prądy nazywane są zwykle prądami wirowymi.Podczas pracy transformatorów i dławików powodują nagrzewanie się obwodu magnetycznego i całej konstrukcji.
Aby zapobiec temu zjawisku, rdzenie wykonane są z cienkich blach i izolowane warstwą lakieru, co zapobiega przepływowi prądów indukowanych.
W konstrukcjach grzewczych prądy wirowe nie ograniczają, ale stwarzają najkorzystniejsze warunki do ich przejścia. Piece indukcyjne są szeroko stosowane w produkcji przemysłowej do tworzenia wysokich temperatur.
Elektrotechniczne urządzenia pomiarowe
Duża klasa urządzeń indukcyjnych nadal działa w elektryczności.Liczniki elektryczne z obracającą się tarczą aluminiową zbliżoną budową do przekaźnika mocy, układy tarcz tłumiących, działają na zasadzie indukcji elektromagnetycznej.
Generatory gazowo-magnetyczne
Jeśli zamiast zamkniętej ramy w polu magnesu porusza się przewodzący gaz, ciecz lub plazma, wówczas ładunki elektryczne pod działaniem linii pola magnetycznego zaczną odchylać się w ściśle określonych kierunkach, tworząc prąd elektryczny. Jego pole magnetyczne na zamontowanych płytkach stykowych elektrod indukuje siłę elektromotoryczną. Pod jego działaniem w obwodzie podłączonym do generatora MHD generowany jest prąd elektryczny.
Tak więc prawo indukcji elektromagnetycznej przejawia się w generatorach MHD.
Nie ma skomplikowanych obracających się części, takich jak wirnik. Upraszcza to konstrukcję, pozwala znacznie podnieść temperaturę środowiska pracy i jednocześnie wydajność wytwarzania energii elektrycznej. Generatory MHD działają jako źródła rezerwowe lub awaryjne, zdolne do generowania znacznych przepływów energii elektrycznej w krótkich okresach czasu.
Tak więc prawo indukcji elektromagnetycznej, potwierdzone kiedyś przez Michaela Faradaya, nadal jest aktualne.