Το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής είναι ένα φαινόμενο που συνίσταται στην εμφάνιση ηλεκτροκινητικής δύναμης ή τάσης σε σώμα που βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο που αλλάζει συνεχώς. Μια ηλεκτροκινητική δύναμη ως αποτέλεσμα της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής προκύπτει επίσης εάν ένα σώμα κινείται σε ένα στατικό και μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο ή περιστρέφεται σε ένα μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε οι γραμμές του που τέμνουν έναν κλειστό βρόχο αλλάζουν.
Επαγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα
Κάτω από την έννοια της «επαγωγής» εννοείται η εμφάνιση μιας διαδικασίας ως αποτέλεσμα της επίδρασης μιας άλλης διαδικασίας. Για παράδειγμα, μπορεί να προκληθεί ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή να εμφανιστεί ως αποτέλεσμα της έκθεσης ενός αγωγού σε μαγνητικό πεδίο με ειδικό τρόπο. Ένα τέτοιο ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται επαγόμενο. Οι συνθήκες για το σχηματισμό ηλεκτρικού ρεύματος ως αποτέλεσμα του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής συζητούνται αργότερα στο άρθρο.
Η έννοια του μαγνητικού πεδίου
ΠρινΓια να ξεκινήσετε τη μελέτη του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τι είναι ένα μαγνητικό πεδίο. Με απλά λόγια, ένα μαγνητικό πεδίο είναι μια περιοχή του χώρου στην οποία ένα μαγνητικό υλικό εμφανίζει τα μαγνητικά του αποτελέσματα και τις ιδιότητές του. Αυτή η περιοχή του χώρου μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας γραμμές που ονομάζονται γραμμές μαγνητικού πεδίου. Ο αριθμός αυτών των γραμμών αντιπροσωπεύει ένα φυσικό μέγεθος που ονομάζεται μαγνητική ροή. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου είναι κλειστές, ξεκινούν από τον βόρειο πόλο του μαγνήτη και τελειώνουν στο νότο.
Το μαγνητικό πεδίο έχει την ικανότητα να δρα σε οποιοδήποτε υλικό με μαγνητικές ιδιότητες, όπως σιδήρου αγωγούς ηλεκτρικού ρεύματος. Το πεδίο αυτό χαρακτηρίζεται από μαγνητική επαγωγή, η οποία συμβολίζεται με Β και μετριέται σε τεσλά (Τ). Μια μαγνητική επαγωγή 1 T είναι ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δρα με δύναμη 1 newton σε σημειακό φορτίο 1 coulomb, το οποίο πετά κάθετα στις γραμμές του μαγνητικού πεδίου με ταχύτητα 1 m / s, δηλαδή 1 T=1 Ns / (mCl).
Ποιος ανακάλυψε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής;
Η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, στην αρχή της οποίας βασίζονται πολλές σύγχρονες συσκευές, ανακαλύφθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '30 του XIX αιώνα. Η ανακάλυψη του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής συνήθως αποδίδεται στον Michael Faraday (ημερομηνία ανακάλυψης - 29 Αυγούστου 1831). Ο επιστήμονας βασίστηκε στα αποτελέσματα των πειραμάτων του Δανό φυσικού και χημικού Hans Oersted, ο οποίος ανακάλυψε ότι ένας αγωγός μέσω του οποίου ρέει ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργείένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον εαυτό του, δηλαδή αρχίζει να εμφανίζει μαγνητικές ιδιότητες.
Ο
Faraday, με τη σειρά του, ανακάλυψε το αντίθετο από το φαινόμενο που ανακάλυψε ο Oersted. Παρατήρησε ότι ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο μπορεί να δημιουργηθεί αλλάζοντας τις παραμέτρους του ηλεκτρικού ρεύματος στον αγωγό, οδηγεί στην εμφάνιση διαφοράς δυναμικού στα άκρα οποιουδήποτε αγωγού ρεύματος. Εάν αυτά τα άκρα συνδέονται, για παράδειγμα, μέσω ενός ηλεκτρικού λαμπτήρα, τότε ένα ηλεκτρικό ρεύμα θα ρέει μέσω ενός τέτοιου κυκλώματος.
Ως αποτέλεσμα, ο Faraday ανακάλυψε μια φυσική διαδικασία, ως αποτέλεσμα της οποίας εμφανίζεται ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό λόγω μιας αλλαγής στο μαγνητικό πεδίο, που είναι το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ταυτόχρονα, για το σχηματισμό ενός επαγόμενου ρεύματος, δεν έχει σημασία τι κινείται: το μαγνητικό πεδίο ή ο ίδιος ο αγωγός. Αυτό μπορεί εύκολα να αποδειχθεί με τη διεξαγωγή ενός κατάλληλου πειράματος για το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Έτσι, έχοντας τοποθετήσει τον μαγνήτη μέσα στη μεταλλική σπείρα, αρχίζουμε να τον μετακινούμε. Εάν συνδέσετε τα άκρα της σπείρας μέσω κάποιας ένδειξης ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα κύκλωμα, μπορείτε να δείτε την εμφάνιση του ρεύματος. Τώρα πρέπει να αφήσετε τον μαγνήτη μόνο του και να μετακινήσετε τη σπείρα πάνω-κάτω σε σχέση με τον μαγνήτη. Η ένδειξη θα δείξει επίσης την ύπαρξη ρεύματος στο κύκλωμα.
Πείραμα Faraday
Τα πειράματα του Faraday συνίστατο στην εργασία με έναν αγωγό και έναν μόνιμο μαγνήτη. Ο Michael Faraday ανακάλυψε για πρώτη φορά ότι όταν ένας αγωγός κινείται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, μια διαφορά δυναμικού προκύπτει στα άκρα του. Ο κινούμενος αγωγός αρχίζει να διασχίζει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, το οποίο προσομοιώνειτο αποτέλεσμα της αλλαγής αυτού του πεδίου.
Ο επιστήμονας ανακάλυψε ότι τα θετικά και αρνητικά σημάδια της προκύπτουσας διαφοράς δυναμικού εξαρτώνται από την κατεύθυνση στην οποία κινείται ο αγωγός. Για παράδειγμα, εάν ο αγωγός ανυψωθεί σε μαγνητικό πεδίο, τότε η διαφορά δυναμικού που προκύπτει θα έχει πολικότητα +-, αλλά εάν αυτός ο αγωγός χαμηλώσει, τότε θα έχουμε ήδη πολικότητα -+. Αυτές οι αλλαγές στο πρόσημο των δυναμικών, η διαφορά των οποίων ονομάζεται ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF), οδηγούν στην εμφάνιση σε κλειστό κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος, δηλαδή ρεύματος που αλλάζει συνεχώς κατεύθυνση προς το αντίθετο.
Χαρακτηριστικά της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής που ανακαλύφθηκαν από τον Faraday
Γνωρίζοντας ποιος ανακάλυψε το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και γιατί υπάρχει επαγόμενο ρεύμα, θα εξηγήσουμε μερικά από τα χαρακτηριστικά αυτού του φαινομένου. Έτσι, όσο πιο γρήγορα μετακινείτε τον αγωγό σε ένα μαγνητικό πεδίο, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η τιμή του επαγόμενου ρεύματος στο κύκλωμα. Ένα άλλο χαρακτηριστικό του φαινομένου είναι το εξής: όσο μεγαλύτερη είναι η μαγνητική επαγωγή του πεδίου, δηλαδή όσο ισχυρότερο είναι αυτό το πεδίο, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού που μπορεί να δημιουργήσει όταν μετακινείται ο αγωγός στο πεδίο. Εάν ο αγωγός βρίσκεται σε ηρεμία σε ένα μαγνητικό πεδίο, δεν προκύπτει EMF σε αυτό, καθώς δεν υπάρχει αλλαγή στις γραμμές μαγνητικής επαγωγής που διασχίζουν τον αγωγό.
Κατεύθυνση ηλεκτρικού ρεύματος και κανόνας του αριστερού χεριού
Για να προσδιορίσετε την κατεύθυνση στον αγωγό του ηλεκτρικού ρεύματος που δημιουργείται ως αποτέλεσμα του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, μπορείτεχρησιμοποιήστε τον λεγόμενο κανόνα του αριστερού χεριού. Μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: εάν το αριστερό χέρι τοποθετηθεί έτσι ώστε οι γραμμές μαγνητικής επαγωγής, που ξεκινούν από τον βόρειο πόλο του μαγνήτη, να εισέλθουν στην παλάμη και ο αντίχειρας που προεξέχει να κατευθύνεται προς την κατεύθυνση της κίνησης του αγωγού στο το πεδίο του μαγνήτη, τότε τα υπόλοιπα τέσσερα δάχτυλα του αριστερού χεριού θα υποδεικνύουν την κατεύθυνση της κίνησης που προκαλείται από το ρεύμα στον αγωγό.
Υπάρχει μια άλλη εκδοχή αυτού του κανόνα, έχει ως εξής: εάν ο δείκτης του αριστερού χεριού κατευθύνεται κατά μήκος των γραμμών μαγνητικής επαγωγής και ο προεξέχων αντίχειρας κατευθύνεται προς την κατεύθυνση του αγωγού, τότε το Το μεσαίο δάχτυλο γυρισμένο κατά 90 μοίρες προς την παλάμη θα υποδεικνύει την κατεύθυνση του εμφανιζόμενου ρεύματος στον αγωγό.
Το φαινόμενο της αυτεπαγωγής
Ο Hans Christian Oersted ανακάλυψε την ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου γύρω από έναν αγωγό ή πηνίο με ρεύμα. Ο επιστήμονας διαπίστωσε επίσης ότι τα χαρακτηριστικά αυτού του πεδίου σχετίζονται άμεσα με την ισχύ του ρεύματος και την κατεύθυνσή του. Εάν το ρεύμα στο πηνίο ή στον αγωγό είναι μεταβλητό, τότε θα δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο που δεν θα είναι ακίνητο, δηλαδή θα αλλάξει. Με τη σειρά του, αυτό το εναλλασσόμενο πεδίο θα οδηγήσει στην εμφάνιση επαγόμενου ρεύματος (το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής). Η κίνηση του ρεύματος επαγωγής θα είναι πάντα αντίθετη από το εναλλασσόμενο ρεύμα που κυκλοφορεί μέσω του αγωγού, δηλαδή θα αντιστέκεται σε κάθε αλλαγή της κατεύθυνσης του ρεύματος στον αγωγό ή το πηνίο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αυτοεπαγωγή. Η προκύπτουσα ηλεκτρική διαφοράδυναμικό ονομάζεται EMF αυτοεπαγωγής.
Σημειώστε ότι το φαινόμενο της αυτεπαγωγής εμφανίζεται όχι μόνο όταν αλλάζει η φορά του ρεύματος, αλλά και όταν αλλάζει, για παράδειγμα, όταν αυξάνεται λόγω μείωσης της αντίστασης στο κύκλωμα.
Για τη φυσική περιγραφή της αντίστασης που ασκείται από οποιαδήποτε μεταβολή του ρεύματος σε ένα κύκλωμα λόγω αυτοεπαγωγής, εισήχθη η έννοια της επαγωγής, η οποία μετράται σε henries (προς τιμή του Αμερικανού φυσικού Joseph Henry). Ένα henry είναι μια τέτοια αυτεπαγωγή για την οποία, όταν το ρεύμα αλλάζει κατά 1 αμπέρ σε 1 δευτερόλεπτο, προκύπτει ένα EMF κατά τη διαδικασία αυτοεπαγωγής, ίσο με 1 volt.
Εναλλασσόμενο ρεύμα
Όταν ένας επαγωγέας αρχίζει να περιστρέφεται σε ένα μαγνητικό πεδίο, ως αποτέλεσμα του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, δημιουργεί ένα επαγόμενο ρεύμα. Αυτό το ηλεκτρικό ρεύμα είναι μεταβλητό, που σημαίνει ότι αλλάζει κατεύθυνση συστηματικά.
Το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι πιο συνηθισμένο από το συνεχές ρεύμα. Έτσι, πολλές συσκευές που λειτουργούν από το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο χρησιμοποιούν αυτόν τον τύπο ρεύματος. Το εναλλασσόμενο ρεύμα προκαλείται και μεταφέρεται ευκολότερα από το συνεχές ρεύμα. Κατά κανόνα, η συχνότητα του οικιακού εναλλασσόμενου ρεύματος είναι 50-60 Hz, δηλαδή σε 1 δευτερόλεπτο η κατεύθυνσή του αλλάζει 50-60 φορές.
Η γεωμετρική αναπαράσταση του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι μια ημιτονοειδής καμπύλη που περιγράφει την εξάρτηση της τάσης από το χρόνο. Η πλήρης περίοδος της ημιτονοειδούς καμπύλης για το οικιακό ρεύμα είναι περίπου 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Σύμφωνα με το θερμικό φαινόμενο, το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι παρόμοιο με το ρεύμαDC, η τάση του οποίου είναι Umax/√2, όπου Umax είναι η μέγιστη τάση στην ημιτονοειδή καμπύλη AC.
Η χρήση της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής στην τεχνολογία
Η ανακάλυψη του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής προκάλεσε μια πραγματική έκρηξη στην ανάπτυξη της τεχνολογίας. Πριν από αυτήν την ανακάλυψη, οι άνθρωποι μπορούσαν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μόνο σε περιορισμένες ποσότητες χρησιμοποιώντας ηλεκτρικές μπαταρίες.
Επί του παρόντος, αυτό το φυσικό φαινόμενο χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικούς μετασχηματιστές, σε θερμαντήρες που μετατρέπουν το επαγόμενο ρεύμα σε θερμότητα και σε ηλεκτρικούς κινητήρες και γεννήτριες αυτοκινήτων.
