Indukcja elektromagnetyczna

Pojawienie się indukcji pola elektromagnetycznego przewodnika

Jeśli umieścisz pole magnetyczne drut i przesuń go tak, aby przecinał linie pola podczas ruchu, wtedy drut będzie miał siła elektromotorycznaNazywana indukcją EMF.

W przewodniku pojawi się indukcyjna siła elektromotoryczna, nawet jeśli sam przewodnik pozostaje nieruchomy, a pole magnetyczne będzie się poruszać, przecinając przewodnik liniami sił.

Jeśli przewodnik, w którym indukowana jest indukcja EMF, jest zamknięty do dowolnego obwodu zewnętrznego, to pod działaniem tego pola elektromagnetycznego przez obwód popłynie prąd, tzw. prąd indukcyjny.

Zjawisko indukcji pola elektromagnetycznego w przewodniku, gdy przecina on swoje linie pola magnetycznego, nazywa się indukcją elektromagnetyczną.

Indukcja elektromagnetyczna jest procesem odwrotnym, czyli przemianą energii mechanicznej w energię elektryczną.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest szeroko stosowane w Inżynieria elektryczna… Urządzenie różnych maszyn elektrycznych opiera się na jego zastosowaniu.

Wielkość i kierunek indukcji pola elektromagnetycznego

Rozważmy teraz, jaka będzie wielkość i kierunek pola elektromagnetycznego indukowanego w przewodniku.

Wielkość pola elektromagnetycznego indukcji zależy od liczby linii sił przecinających drut w jednostce czasu, czyli od prędkości ruchu drutu w polu.

Wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego jest wprost proporcjonalna do prędkości ruchu przewodnika w polu magnetycznym.

Wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego zależy również od długości tej części drutu, którą przecinają linie pola. Im większa część przewodnika, przez którą przebiegają linie pola, tym większa siła elektromotoryczna indukowana w przewodniku. Wreszcie, im silniejsze pole magnetyczne, czyli im większa jego indukcja, tym większa siła elektromotoryczna w przewodniku przecinającym to pole.

Zatem wartość EMF indukcji występującej w przewodniku, gdy porusza się on w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do indukcji pola magnetycznego, długości przewodnika i prędkości jego ruchu.

Zależność tę wyraża wzór E = Blv,

gdzie E jest indukowanym polem elektromagnetycznym; B — indukcja magnetyczna; I to długość drutu; v to prędkość drutu.

Należy mocno pamiętać, że w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym EMF indukcji występuje tylko wtedy, gdy ten przewodnik przecinają linie pola magnetycznego. Jeśli przewodnik porusza się wzdłuż linii pola, to znaczy nie przecina się, ale wydaje się ślizgać wzdłuż nich, to nie jest w nim indukowana żadna siła elektromotoryczna. Dlatego powyższy wzór jest ważny tylko wtedy, gdy drut porusza się prostopadle do linii pola magnetycznego.

Kierunek indukowanej siły elektromotorycznej (a także prądu w drucie) zależy od kierunku, w którym porusza się drut. Istnieje reguła prawej ręki określająca kierunek indukowanego pola elektromagnetycznego.

Jeśli trzymasz dłoń prawej ręki tak, aby linie pola magnetycznego weszły w nią, a zgięty kciuk wskazywałby kierunek ruchu przewodnika, to wyprostowane cztery palce wskazywałyby kierunek działania indukowanego pola elektromagnetycznego i kierunek prądu w przewodniku.

Zasada prawej ręki

Indukcja pola elektromagnetycznego w cewce

Powiedzieliśmy już, że aby wytworzyć pole elektromagnetyczne indukcji w drucie, konieczne jest przesunięcie samego drutu lub pola magnetycznego w pole magnetyczne. W obu przypadkach drut musi przecinać linie pola magnetycznego pola, w przeciwnym razie nie zostanie wyindukowana żadna siła elektromotoryczna. Indukowany SEM, a co za tym idzie indukowany prąd, może wystąpić nie tylko w prostym przewodzie, ale także w przewodzie skręconym w cewkę.

Podczas poruszania się w środku cewki magnesu trwałego indukuje się w nim pole elektromagnetyczne, ponieważ strumień magnetyczny magnesu przecina zwoje cewki, to znaczy w taki sam sposób, jak podczas przesuwania prostego drutu w polu magnesu.

Jeśli magnes zostanie powoli opuszczony do cewki, powstające w nim pole elektromagnetyczne będzie tak małe, że igła urządzenia może nawet nie odchylić się. Przeciwnie, jeśli magnes zostanie szybko włożony do cewki, odchylenie strzałki będzie duże. Oznacza to, że wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego i odpowiednio siła prądu w cewce zależy od prędkości magnesu, to znaczy od tego, jak szybko linie pola przecinają zwoje cewki. Jeśli teraz, naprzemiennie, najpierw silny magnes, a następnie słaby magnes zostaną włożone do cewki z tą samą prędkością, to zauważysz, że przy silnym magnesie igła urządzenia będzie odchylać się pod większym kątem.Oznacza to, że wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego i odpowiednio siła prądu w cewce zależy od wielkości strumienia magnetycznego magnesu.

W końcu, jeśli ten sam magnes zostanie wprowadzony z tą samą prędkością, najpierw do cewki o dużej liczbie zwojów, a następnie o znacznie mniejszej liczbie, wówczas w pierwszym przypadku igła urządzenia odchyli się o większy kąt niż w drugi. Oznacza to, że wielkość indukowanego pola elektromagnetycznego i odpowiednio siła prądu w cewce zależy od liczby jej zwojów. Te same wyniki można uzyskać stosując elektromagnes zamiast magnesu stałego.

Kierunek indukcji pola elektromagnetycznego w cewce zależy od kierunku ruchu magnesu. Jak określić kierunek pola elektromagnetycznego indukcji, mówi prawo ustanowione przez E. H. Lenza.

Prawo indukcji elektromagnetycznej Lenza

Każdej zmianie strumienia magnetycznego wewnątrz cewki towarzyszy pojawienie się w niej pola elektromagnetycznego indukcji, a im szybsza zmiana strumienia magnetycznego przenikającego cewkę, tym większe jest w niej pole elektromagnetyczne.

Jeśli cewka, w której powstaje indukcja EMF, jest zamknięta na obwód zewnętrzny, wówczas prąd indukcyjny przepływa przez jej zwoje, tworząc pole magnetyczne wokół drutu, dzięki czemu cewka zamienia się w solenoid. Okazuje się, że zmieniające się zewnętrzne pole magnetyczne indukuje prąd indukowany w cewce, który z kolei wytwarza własne pole magnetyczne wokół cewki – pole prądowe.

Badając to zjawisko, E. H. Lenz ustanowił prawo, które określa kierunek prądu indukcyjnego w cewce i odpowiednio kierunek indukcji EMF.SEM indukcji występującej w cewce, gdy zmienia się w niej strumień magnetyczny, wytwarza prąd w cewce w takim kierunku, że strumień magnetyczny cewki utworzony przez ten prąd zapobiega zmianie zewnętrznego strumienia magnetycznego.

Prawo Lenza obowiązuje we wszystkich przypadkach indukcji prądu w przewodach, niezależnie od kształtu przewodów i sposobu uzyskania zmiany zewnętrznego pola magnetycznego.

Gdy magnes trwały porusza się względem cewki drucianej podłączonej do zacisków galwanometru lub gdy cewka porusza się względem magnesu, generowany jest prąd indukowany.

Prądy indukcyjne w przewodnikach masywnych

Zmieniający się strumień magnetyczny może indukować pole elektromagnetyczne nie tylko w zwojach cewki, ale także w masywnych metalowych przewodnikach. Wnikając w grubość masywnego przewodnika, strumień magnetyczny indukuje w nim pole elektromagnetyczne, które wytwarza prądy indukcyjne. Te tzw prądy wirowe rozciągają się na litym przewodzie i są w nim zwarte.

Rdzenie transformatorów, rdzenie magnetyczne różnych maszyn i urządzeń elektrycznych to tylko te masywne druty, które są nagrzewane przez powstające w nich prądy indukcyjne.Zjawisko to jest niepożądane, dlatego w celu zmniejszenia wielkości prądów indukcyjnych części maszyny elektryczne i rdzeń transformatora nie są masywne, ale składają się z cienkich arkuszy izolowanych od siebie papierem lub warstwą lakieru izolacyjnego. Dlatego ścieżka propagacji prądów wirowych wzdłuż masy przewodnika jest zablokowana.

Ale czasami w praktyce prądy wirowe są również wykorzystywane jako prądy użyteczne. Wykorzystanie tych prądów polega np. na pracy indukcyjne piece grzewcze, liczniki energii elektrycznej oraz tzw. tłumiki magnetyczne ruchomych części elektrycznych przyrządów pomiarowych.

Zobacz też: Zjawisko indukcji elektromagnetycznej w obrazach