Faraday elektromágneses indukció törvényének gyakorlati alkalmazása
Az "indukció" szó oroszul azt jelenti, hogy valami gerjesztési, irányítási, létrehozási folyamatok zajlanak. Az elektrotechnikában ezt a kifejezést több mint két évszázada használják.
Miután elolvasta az 1821-es publikációkat, amelyek a dán tudós Oersted kísérleteit írták le egy mágneses tű elhajlásáról egy elektromos áramot szállító vezető közelében, Michael Faraday azt a feladatot tűzte ki maga elé: alakítsa át a mágnesességet elektromossággá.
10 évnyi kutatás után megfogalmazta az elektromágneses indukció alaptörvényét, kifejtve, hogy bármely zárt körben elektromotoros erő indukálódik. Értékét a vizsgált hurkon áthatoló, de mínusz előjellel vett mágneses fluxus változási sebessége határozza meg.
Elektromágneses hullámok átvitele távolról
Az első találgatást, amely a tudós eszébe jutott, nem koronázta gyakorlati siker.
Két zárt vezetéket helyezett egymás mellé.Az egyik mellé egy mágnestűt szereltem fel az áthaladó áram jelzőjeként, a másik vezetékbe pedig egy akkori erős galvánforrásból, egy voltoszlopból adtam impulzust.
A kutató azt feltételezte, hogy az első áramkörben lévő áramimpulzussal a benne lévő változó mágneses tér áramot indukál a második vezetékben, ami eltéríti a mágnestűt. De az eredmény negatívnak bizonyult - a mutató nem működik. Inkább hiányzott belőle az érzékenység.
A tudós agya előrevetíti az elektromágneses hullámok távoli létrehozását és továbbítását, amelyeket ma rádióadásban, televízióban, vezeték nélküli vezérlésben, Wi-Fi technológiákban és hasonló eszközökben használnak. Egyszerűen elkeserítette az akkori mérőeszközök tökéletlen elembázisa.
Villamosenergia termelés
Egy rossz kísérlet után Michael Faraday megváltoztatta a kísérlet körülményeit.
A kísérlethez Faraday két zárt hurkú tekercset használt. Az első körben egy forrásból táplált elektromos áramot, a másodikban pedig egy EMF megjelenését figyelte meg. Az 1. tekercs menetein áthaladó áram mágneses fluxust hoz létre a tekercs körül, áthatol a 2. tekercsen és elektromotoros erőt hoz létre benne.
Faraday kísérlete során:
- kapcsoljon be egy impulzust, hogy feszültséget biztosítson az áramkörnek álló tekercsekkel;
- az áram alkalmazásakor a felső tekercset bevezette az alsó tekercsbe;
- állandóan rögzítette az 1. számú tekercset, és bevezette a 2. számú tekercset;
- megváltoztatta a tekercsek egymáshoz viszonyított mozgási sebességét.
Mindezekben az esetekben megfigyelte az EMF-indukció megnyilvánulását a második tekercsben. És mivel csak egyenáram haladt át az 1. számú tekercsen és álló tekercseken, nem volt elektromotoros erő.
A tudós megállapította, hogy a második tekercsben indukált EMF a mágneses fluxus változási sebességétől függ. Méretével arányos.
Ugyanez a minta teljes mértékben megnyilvánul egy zárt hurkon való áthaladáskor állandó mágnes mágneses erővonalai. Az EMF hatására elektromos áram keletkezik a vezetékben.
A mágneses fluxus a vizsgált esetben megváltozik a zárt áramkör által létrehozott Sk hurokban.
Így a Faraday által megalkotott fejlesztés lehetővé tette egy forgó vezetőképes keret mágneses térbe helyezését.
Majd nagyszámú, forgócsapágyakban rögzített menetből készült, a tekercs végeire csúszógyűrűket és azokon csúszó keféket szereltek fel, a házkapcsokon keresztül terhelést kapcsoltak. Az eredmény egy modern generátor.
Egyszerűbb kialakítása akkor jön létre, ha a tekercset egy álló házra rögzítik, és a mágneses rendszer forogni kezd. Ebben az esetben az áramok létrehozásának módja annak köszönhető elektromágneses indukció semmilyen módon nem sértették meg.
Az elektromos motorok működési elve
Az elektromágneses indukció törvénye, amelynek úttörője Michael Faraday, sokféle elektromos motor kialakítást tesz lehetővé. Felépítésük hasonló a generátorokhoz: mozgatható forgórész és állórész, amelyek a forgó elektromágneses mezők miatt kölcsönhatásba lépnek egymással.
Az elektromos áram csak az elektromos motor állórész tekercsén halad át. Mágneses fluxust indukál, amely befolyásolja a rotor mágneses terét. Ennek eredményeként olyan erők lépnek fel, amelyek elforgatják a motor tengelyét. Lásd ebben a témában - Az elektromos motor működési elve és berendezése
Villamos energia átalakítás
Michael Faraday meghatározta az indukált elektromotoros erő és az indukált áram megjelenését a közeli tekercsben, amikor a szomszédos tekercs mágneses tere megváltozott.
A közeli tekercsben lévő áram akkor indukálódik, amikor a kapcsolóáramkör az 1. tekercsben be van kapcsolva, és mindig jelen van a generátor és a 3. tekercs működése közben.
Valamennyi modern transzformátoros készülék működése ezen a tulajdonságon, az úgynevezett kölcsönös indukción alapul.
A transzformátorok a kölcsönös indukció következtében váltakozó elektromágneses tér energiáját adják át egyik tekercsről a másikra, így változás történik, a feszültségérték átalakul a bemeneti és kimeneti kapcsain.
A tekercsek fordulatszámának aránya határozza meg az átalakítási együtthatót, valamint a huzal vastagságát, a mag anyagának felépítését és térfogatát - az átvitt teljesítmény értékét, az üzemi áramot.
Induktorok működése
Az elektromágneses indukció megnyilvánulása a tekercsben figyelhető meg, amikor a benne folyó áram értéke megváltozik. Ezt a folyamatot önindukciónak nevezik.
A fenti diagramon látható kapcsoló bekapcsolásakor az indukált áram megváltoztatja az üzemi áram lineáris növekedésének jellegét az áramkörben, valamint a lekapcsolás során.
Amikor nem állandó, hanem váltakozó feszültséget adunk a tekercsbe tekercselt vezetékre, akkor az induktív ellenállással csökkentett áramérték folyik át rajta.Az önindukciós energia fáziseltolja az áramot a rákapcsolt feszültséghez képest.
Ezt a jelenséget olyan fojtótekercseknél használják, amelyek célja a bizonyos működési feltételek mellett fellépő nagy áramok csökkentése. Különösen az ilyen eszközöket használják a fénycsövek megvilágítására szolgáló áramkörben.
A fojtó mágneses áramkörének kialakításának jellemzője a lemezek kivágása, amely a légrés kialakulása miatt jön létre, hogy tovább növelje a mágneses fluxus mágneses ellenállását.
Az osztott és állítható mágneses áramkör helyzetű fojtókat számos rádió- és elektromos készülékben használnak. Gyakran megtalálhatók a hegesztő transzformátorok építésében. Az elektródán áthaladó elektromos ív nagyságát az optimális értékre csökkentik.
Indukciós sütők
Az elektromágneses indukció jelensége nemcsak vezetékekben és tekercsekben nyilvánul meg, hanem bármilyen masszív fémtárgy belsejében is. A bennük indukált áramokat örvényáramnak szokták nevezni, transzformátorok és fojtótekercsek működése során a mágneses kör és az egész szerkezet felmelegedését okozzák.
Ennek a jelenségnek a megelőzése érdekében a magok vékony fémlemezekből készülnek, és lakkréteggel vannak szigetelve, amely megakadályozza az indukált áramok áthaladását.
A fűtőszerkezetekben az örvényáramok nem korlátozzák, hanem megteremtik a legkedvezőbb feltételeket az áthaladáshoz. Indukciós sütők széles körben használják az ipari termelésben magas hőmérsékletek létrehozására.
Elektrotechnikai mérőeszközök
Az indukciós eszközök nagy csoportja továbbra is elektromos árammal működik.A teljesítményrelé felépítéséhez hasonló forgó alumínium tárcsával ellátott elektromos mérőórák, csillapító tárcsarendszerek az elektromágneses indukció elvén működnek.
Mágneses gázgenerátorok
Ha zárt keret helyett vezetőképes gáz, folyadék vagy plazma mozog a mágnes mezőjében, akkor a mágneses erővonalak hatására az elektromosság töltései szigorúan meghatározott irányokba kezdenek eltérni, elektromos áramot képezve. Mágneses tere a szerelt elektródák érintkezőlapjain elektromotoros erőt indukál. Működése során az MHD generátorhoz csatlakoztatott áramkörben elektromos áram keletkezik.
Így az elektromágneses indukció törvénye az MHD generátorokban nyilvánul meg.
Nincsenek olyan bonyolult forgó alkatrészek, mint a rotor. Ez leegyszerűsíti a tervezést, lehetővé teszi a munkakörnyezet hőmérsékletének és egyúttal a villamosenergia-termelés hatékonyságának jelentős növelését. Az MHD generátorok tartalék vagy vészhelyzeti forrásként működnek, amelyek rövid ideig képesek jelentős villamosenergia-áramlást generálni.
Így az elektromágneses indukció törvénye, amelyet egykor Michael Faraday alátámasztott, ma is aktuális.