Μια πρακτική εφαρμογή του νόμου του Faraday για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή

Η λέξη "επαγωγή" στα ρωσικά σημαίνει τις διαδικασίες διέγερσης, κατεύθυνσης, δημιουργίας κάτι. Στην ηλεκτρική μηχανική, αυτός ο όρος χρησιμοποιείται για περισσότερο από δύο αιώνες.

Αφού διάβασε τις δημοσιεύσεις του 1821 που περιγράφουν τα πειράματα του Δανού επιστήμονα Oersted σχετικά με τις παραμορφώσεις μιας μαγνητικής βελόνας κοντά σε έναν αγωγό που μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, ο Michael Faraday έθεσε στον εαυτό του το καθήκον: να μετατρέψει τον μαγνητισμό σε ηλεκτρισμό.

Μετά από 10 χρόνια έρευνας, διατύπωσε τον βασικό νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, εξηγώντας ότι μια ηλεκτροκινητική δύναμη προκαλείται σε κάθε κλειστό βρόχο. Η τιμή του καθορίζεται από τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής που διεισδύει στον εξεταζόμενο βρόχο, αλλά λαμβάνεται με το σύμβολο μείον.

Μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε απόσταση

Η πρώτη εικασία που ήρθε στο μυαλό του επιστήμονα δεν στέφθηκε με πρακτική επιτυχία.

Τοποθέτησε δύο κλειστά σύρματα δίπλα-δίπλα.Κοντά στο ένα τοποθέτησα μια μαγνητική βελόνα ως ένδειξη του ρεύματος που διέρχεται και στο άλλο καλώδιο έδωσα μια ώθηση από μια ισχυρή γαλβανική πηγή εκείνης της εποχής: έναν πόλο βολτ.

Ο ερευνητής υπέθεσε ότι με έναν παλμό ρεύματος στο πρώτο κύκλωμα, το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο σε αυτό θα προκαλούσε ρεύμα στο δεύτερο καλώδιο, το οποίο θα εκτρέψει τη μαγνητική βελόνα. Αλλά το αποτέλεσμα αποδείχθηκε αρνητικό - ο δείκτης δεν λειτουργεί. Μάλλον του έλειπε η ευαισθησία.

Ο εγκέφαλος του επιστήμονα προβλέπει τη δημιουργία και τη μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε απόσταση, τα οποία χρησιμοποιούνται πλέον σε ραδιοφωνικές εκπομπές, τηλεόραση, ασύρματο έλεγχο, τεχνολογίες Wi-Fi και παρόμοιες συσκευές. Ήταν απλώς απογοητευμένος από την ατελή βάση στοιχείων των συσκευών μέτρησης εκείνης της εποχής.

Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας

Μετά από ένα κακό πείραμα, ο Michael Faraday άλλαξε τις συνθήκες του πειράματος.

Για το πείραμα, ο Faraday χρησιμοποίησε δύο πηνία κλειστού βρόχου. Στο πρώτο κύκλωμα τροφοδοτούσε ηλεκτρικό ρεύμα από μια πηγή και στο δεύτερο παρατήρησε την εμφάνιση ενός EMF. Το ρεύμα που διέρχεται από τις στροφές του πηνίου #1 δημιουργεί μια μαγνητική ροή γύρω από το πηνίο, διεισδύει στο πηνίο #2 και σχηματίζει μια ηλεκτροκινητική δύναμη σε αυτό.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος του Faraday:

• ενεργοποιήστε έναν παλμό για την παροχή τάσης στο κύκλωμα με σταθερά πηνία.
• όταν εφαρμόστηκε το ρεύμα, εισήγαγε το πάνω πηνίο στο κάτω πηνίο.
• Σταθερό πηνίο Νο. 1 μόνιμα και εισήγαγε το πηνίο Νο. 2 σε αυτό.
• άλλαξε την ταχύτητα κίνησης των πηνίων μεταξύ τους.

Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις παρατήρησε την εκδήλωση επαγωγής EMF στο δεύτερο πηνίο. Και με μόνο συνεχές ρεύμα που περνούσε από το τύλιγμα Νο. 1 και τα σταθερά πηνία, δεν υπήρχε ηλεκτροκινητική δύναμη.

Ο επιστήμονας διαπίστωσε ότι το EMF που προκαλείται στο δεύτερο πηνίο εξαρτάται από τον ρυθμό με τον οποίο μεταβάλλεται η μαγνητική ροή. Είναι ανάλογο με το μέγεθός του.

Το ίδιο μοτίβο εκδηλώνεται πλήρως όταν περνάτε έναν κλειστό βρόχο γραμμές μαγνητικού πεδίου ενός μόνιμου μαγνήτη. Υπό την επίδραση του EMF, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στο καλώδιο.

Η μαγνητική ροή στην εξεταζόμενη περίπτωση αλλάζει στον βρόχο Sk που δημιουργείται από ένα κλειστό κύκλωμα.

Έτσι, η ανάπτυξη που δημιουργήθηκε από τον Faraday κατέστησε δυνατή την τοποθέτηση ενός περιστρεφόμενου αγώγιμου πλαισίου σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Στη συνέχεια κατασκευάστηκε από μεγάλο αριθμό στροφών στερεωμένων σε περιστροφικά ρουλεμάν.Στα άκρα του πηνίου τοποθετήθηκαν δακτύλιοι ολίσθησης και βούρτσες που γλιστρούσαν πάνω τους και συνδέθηκε ένα φορτίο μέσω των ακροδεκτών του περιβλήματος. Το αποτέλεσμα είναι ένας σύγχρονος εναλλάκτης.

Ο απλούστερος σχεδιασμός του δημιουργείται όταν το πηνίο στερεώνεται σε ένα σταθερό περίβλημα και το μαγνητικό σύστημα αρχίζει να περιστρέφεται. Στην περίπτωση αυτή, η μέθοδος παραγωγής ρευμάτων οφείλεται ηλεκτρομαγνητική επαγωγή δεν παραβιάζεται με κανέναν τρόπο.

Η αρχή της λειτουργίας των ηλεκτροκινητήρων

Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, τον οποίο πρωτοστάτησε ο Michael Faraday, επιτρέπει μια ποικιλία σχεδίων ηλεκτροκινητήρων. Έχουν παρόμοια δομή με τις γεννήτριες: έναν κινητό ρότορα και στάτορα που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους λόγω περιστρεφόμενων ηλεκτρομαγνητικών πεδίων.

Το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μόνο από την περιέλιξη του στάτορα του ηλεκτροκινητήρα. Επάγει μια μαγνητική ροή που επηρεάζει το μαγνητικό πεδίο του ρότορα. Ως αποτέλεσμα, προκύπτουν δυνάμεις που περιστρέφουν τον άξονα του κινητήρα. Δείτε σε αυτό το θέμα - Η αρχή της λειτουργίας και η συσκευή του ηλεκτροκινητήρα

Μετασχηματισμός ηλεκτρικής ενέργειας

Ο Michael Faraday προσδιόρισε την εμφάνιση μιας επαγόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης και ενός επαγόμενου ρεύματος σε ένα κοντινό πηνίο όταν άλλαξε το μαγνητικό πεδίο στο γειτονικό πηνίο.

Το ρεύμα στο κοντινό πηνίο προκαλείται όταν το κύκλωμα διακόπτη είναι ενεργοποιημένο στο πηνίο 1 και είναι πάντα παρόν κατά τη λειτουργία της γεννήτριας στο πηνίο 3.

Η λειτουργία όλων των σύγχρονων συσκευών μετασχηματιστή βασίζεται σε αυτή την ιδιότητα, τη λεγόμενη αμοιβαία επαγωγή.

Για τη βελτίωση της διέλευσης της μαγνητικής ροής, έχουν μονωμένες περιελίξεις τοποθετημένες σε έναν κοινό πυρήνα με ελάχιστη μαγνητική αντίσταση. Είναι κατασκευασμένο από ειδικούς τύπους χάλυβα και σχηματίζεται με στοίβαξη λεπτών φύλλων με τη μορφή τμημάτων συγκεκριμένου σχήματος, που ονομάζονται μαγνητικός πυρήνας.

Οι μετασχηματιστές, λόγω αμοιβαίας επαγωγής, μεταφέρουν την ενέργεια ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου από το ένα πηνίο στο άλλο, οπότε συμβαίνει μια αλλαγή, ένας μετασχηματισμός της τιμής της τάσης στους ακροδέκτες εισόδου και εξόδου.

Ο λόγος του αριθμού των στροφών στις περιελίξεις καθορίζει τον συντελεστή μετασχηματισμού και το πάχος του σύρματος, την κατασκευή και τον όγκο του υλικού του πυρήνα - την τιμή της μεταδιδόμενης ισχύος, το ρεύμα λειτουργίας.

Λειτουργία επαγωγέων

Η εκδήλωση ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής παρατηρείται στο πηνίο όταν αλλάζει η τιμή του ρεύματος που ρέει σε αυτό. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αυτοεπαγωγή.

Όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος στο παραπάνω διάγραμμα, το επαγόμενο ρεύμα αλλάζει τον χαρακτήρα της γραμμικής αύξησης του ρεύματος λειτουργίας στο κύκλωμα, καθώς και κατά τη διάρκεια της απενεργοποίησης.

Όταν δεν εφαρμόζεται σταθερή, αλλά εναλλασσόμενη τάση στο τυλιγμένο σύρμα στο πηνίο, τότε η τιμή του ρεύματος, μειωμένη από την επαγωγική αντίσταση, ρέει μέσα από αυτό.Η ενέργεια αυτοεπαγωγής μετατοπίζει το ρεύμα σε σχέση με την εφαρμοζόμενη τάση.

Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε τσοκ που έχουν σχεδιαστεί για να μειώνουν τα μεγάλα ρεύματα που συμβαίνουν κάτω από ορισμένες συνθήκες λειτουργίας. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται τέτοιες συσκευές στο κύκλωμα για το φωτισμό των λαμπτήρων φθορισμού.

Το χαρακτηριστικό του σχεδιασμού του μαγνητικού κυκλώματος του τσοκ είναι η αποκοπή των πλακών, η οποία δημιουργείται για να αυξήσει περαιτέρω τη μαγνητική αντίσταση στη μαγνητική ροή λόγω του σχηματισμού ενός διακένου αέρα.

Τα τσοκ με χωριστή και ρυθμιζόμενη θέση μαγνητικού κυκλώματος χρησιμοποιούνται σε πολλές ραδιοφωνικές και ηλεκτρικές συσκευές. Αρκετά συχνά μπορούν να βρεθούν στην κατασκευή μετασχηματιστών συγκόλλησης. Μειώνουν το μέγεθος του ηλεκτρικού τόξου που διέρχεται από το ηλεκτρόδιο στη βέλτιστη τιμή.

Επαγωγικοί φούρνοι

Το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής εκδηλώνεται όχι μόνο στα καλώδια και τα πηνία, αλλά και μέσα σε οποιαδήποτε ογκώδη μεταλλικά αντικείμενα. Τα ρεύματα που προκαλούνται σε αυτά ονομάζονται συνήθως δινορεύματα.Κατά τη λειτουργία των μετασχηματιστών και των τσοκ προκαλούν θέρμανση του μαγνητικού κυκλώματος και ολόκληρης της δομής.

Για την αποφυγή αυτού του φαινομένου, οι πυρήνες είναι κατασκευασμένοι από λεπτά μεταλλικά φύλλα και μονωμένοι με ένα στρώμα βερνικιού, το οποίο εμποδίζει τη διέλευση των επαγόμενων ρευμάτων.

Στις θερμαντικές κατασκευές, τα δινορεύματα δεν περιορίζουν, αλλά δημιουργούν τις πιο ευνοϊκές συνθήκες για τη διέλευσή τους. Επαγωγικοί φούρνοι χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή για τη δημιουργία υψηλών θερμοκρασιών.

Ηλεκτροτεχνικές συσκευές μέτρησης

Μια μεγάλη κατηγορία επαγωγικών συσκευών συνεχίζει να λειτουργεί στον ηλεκτρισμό.Ηλεκτρικοί μετρητές με περιστρεφόμενο δίσκο αλουμινίου παρόμοιο με την κατασκευή ρελέ ισχύος, συστήματα επιλογέα απόσβεσης, λειτουργούν με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής.

Μαγνητικές γεννήτριες αερίου

Εάν, αντί για ένα κλειστό πλαίσιο, ένα αγώγιμο αέριο, υγρό ή πλάσμα κινείται στο πεδίο ενός μαγνήτη, τότε τα φορτία ηλεκτρισμού υπό τη δράση γραμμών μαγνητικού πεδίου θα αρχίσουν να αποκλίνουν σε αυστηρά καθορισμένες κατευθύνσεις, σχηματίζοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Το μαγνητικό του πεδίο στις τοποθετημένες πλάκες επαφής του ηλεκτροδίου προκαλεί ηλεκτροκινητική δύναμη. Κάτω από τη δράση του, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στο συνδεδεμένο κύκλωμα με τη γεννήτρια MHD.

Έτσι, ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής εκδηλώνεται στις γεννήτριες MHD.

Δεν υπάρχουν περίπλοκα περιστρεφόμενα μέρη όπως ο ρότορας. Αυτό απλοποιεί τον σχεδιασμό, σας επιτρέπει να αυξήσετε σημαντικά τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος εργασίας και ταυτόχρονα την απόδοση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι γεννήτριες MHD λειτουργούν ως εφεδρικές ή πηγές έκτακτης ανάγκης ικανές να παράγουν σημαντικές ροές ηλεκτρικής ενέργειας για σύντομες χρονικές περιόδους.

Έτσι, ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, που τεκμηριώθηκε κάποτε από τον Michael Faraday, συνεχίζει να είναι επίκαιρος σήμερα.