Fænomenet elektromagnetisk induktion er et fænomen, der består i, at der opstår en elektromotorisk kraft eller spænding i et legeme, der befinder sig i et magnetfelt, der konstant ændrer sig. En elektromotorisk kraft som følge af elektromagnetisk induktion opstår også, hvis et legeme bevæger sig i et statisk og uensartet magnetfelt, eller roterer i et magnetfelt, så dets linjer, der skærer en lukket sløjfe, ændres.
Induceret elektrisk strøm
Under begrebet "induktion" menes fremkomsten af en proces som et resultat af virkningen af en anden proces. For eksempel kan en elektrisk strøm induceres, det vil sige, at den kan opstå som et resultat af at en leder udsættes for et magnetfelt på en særlig måde. En sådan elektrisk strøm kaldes induceret. Betingelserne for dannelsen af en elektrisk strøm som følge af fænomenet elektromagnetisk induktion diskuteres senere i artiklen.
Konceptet med et magnetfelt
FørFor at begynde at studere fænomenet elektromagnetisk induktion er det nødvendigt at forstå, hvad et magnetfelt er. Enkelt sagt er et magnetfelt et område i rummet, hvor et magnetisk materiale udviser sine magnetiske virkninger og egenskaber. Dette område af rummet kan afbildes ved hjælp af linjer kaldet magnetiske feltlinjer. Antallet af disse linjer repræsenterer en fysisk størrelse kaldet magnetisk flux. De magnetiske feltlinjer er lukkede, de starter ved magnetens nordpol og slutter i syd.
Magnetisk felt har evnen til at virke på alle materialer med magnetiske egenskaber, såsom jernledere af elektrisk strøm. Dette felt er karakteriseret ved magnetisk induktion, som er betegnet B og måles i teslaer (T). En magnetisk induktion på 1 T er et meget stærkt magnetfelt, der virker med en kraft på 1 newton på en punktladning på 1 coulomb, som flyver vinkelret på de magnetiske feltlinjer med en hastighed på 1 m/s, det vil sige 1 T=1 Ns / (mCl).
Hvem opdagede fænomenet elektromagnetisk induktion?
Elektromagnetisk induktion, på det princip, som mange moderne enheder er baseret på, blev opdaget i begyndelsen af 30'erne af det XIX århundrede. Opdagelsen af fænomenet elektromagnetisk induktion tilskrives norm alt Michael Faraday (opdagelsesdato - 29. august 1831). Videnskabsmanden var baseret på resultaterne af eksperimenterne fra den danske fysiker og kemiker Hans Ørsted, der opdagede, at en leder, som en elektrisk strøm løber igennem, skaberet magnetfelt omkring sig selv, det vil sige, det begynder at vise magnetiske egenskaber.
Faraday opdagede til gengæld det modsatte af fænomenet opdaget af Ørsted. Han bemærkede, at et skiftende magnetfelt, som kan skabes ved at ændre parametrene for den elektriske strøm i lederen, fører til udseendet af en potentialforskel i enderne af enhver strømleder. Hvis disse ender er forbundet, for eksempel gennem en elektrisk lampe, vil der strømme en elektrisk strøm gennem et sådant kredsløb.
Som et resultat opdagede Faraday en fysisk proces, som et resultat af, at der opstår en elektrisk strøm i en leder på grund af en ændring i det magnetiske felt, som er fænomenet elektromagnetisk induktion. På samme tid, for dannelsen af en induceret strøm, er det ligegyldigt, hvad der bevæger sig: magnetfeltet eller selve lederen. Dette kan let påvises ved at udføre et passende eksperiment på fænomenet elektromagnetisk induktion. Så efter at have placeret magneten inde i metalspiralen, begynder vi at flytte den. Hvis du forbinder enderne af spiralen gennem en indikator for elektrisk strøm til et kredsløb, kan du se udseendet af strøm. Nu skal du lade magneten være og flytte spiralen op og ned i forhold til magneten. Indikatoren vil også vise eksistensen af strøm i kredsløbet.
Faraday-eksperiment
Faradays eksperimenter bestod i at arbejde med en leder og en permanent magnet. Michael Faraday opdagede først, at når en leder bevæger sig inde i et magnetfelt, opstår der en potentiel forskel i dens ender. Den bevægelige leder begynder at krydse magnetfeltlinjerne, hvilket simulerereffekten af at ændre dette felt.
Forskeren opdagede, at de positive og negative tegn på den resulterende potentialforskel afhænger af den retning, som lederen bevæger sig i. For eksempel, hvis lederen hæves i et magnetfelt, så vil den resulterende potentialforskel have en +- polaritet, men hvis denne leder er sænket, vil vi allerede få en -+ polaritet. Disse ændringer i potentialernes fortegn, hvis forskel kaldes den elektromotoriske kraft (EMF), fører til, at der i et lukket kredsløb opstår en vekselstrøm, det vil sige en strøm, der konstant ændrer retning til det modsatte.
Funktioner ved elektromagnetisk induktion opdaget af Faraday
Ved, hvem der opdagede fænomenet elektromagnetisk induktion, og hvorfor der er en induceret strøm, vil vi forklare nogle af funktionerne ved dette fænomen. Så jo hurtigere du bevæger lederen i et magnetfelt, jo større vil værdien af den inducerede strøm i kredsløbet være. Et andet træk ved fænomenet er som følger: Jo større magnetisk induktion af feltet, det vil sige jo stærkere dette felt er, jo større potentialeforskel kan det skabe, når lederen bevæges i feltet. Hvis lederen er i hvile i et magnetfelt, opstår der ingen EMF i det, da der ikke er nogen ændring i de magnetiske induktionslinjer, der krydser lederen.
Elektrisk strømretning og venstrehåndsregel
For at bestemme retningen i lederen af elektrisk strøm, der dannes som et resultat af fænomenet elektromagnetisk induktion, kan dubruge den såkaldte venstrehåndsregel. Det kan formuleres som følger: hvis venstre hånd er placeret således, at linjerne for magnetisk induktion, som begynder ved magnetens nordpol, kommer ind i håndfladen, og den udragende tommelfinger er rettet i lederens bevægelsesretning i magnetens felt, så vil de resterende fire fingre på venstre hånd angive bevægelsesretningen induceret strøm i lederen.
Der er en anden version af denne regel, den er som følger: hvis pegefingeren på venstre hånd er rettet langs linjerne med magnetisk induktion, og den udragende tommelfinger er rettet i retning af lederen, så langfinger drejet 90 grader til håndfladen vil angive retningen af den viste strøm i lederen.
Fænomenet selvinduktion
Hans Christian Ørsted opdagede eksistensen af et magnetfelt omkring en leder eller spole med strøm. Forskeren fandt også, at egenskaberne ved dette felt er direkte relateret til styrken af strømmen og dens retning. Hvis strømmen i spolen eller lederen er variabel, vil den generere et magnetfelt, der ikke vil være stationært, det vil sige, det vil ændre sig. Til gengæld vil dette vekselfelt føre til udseendet af en induceret strøm (fænomenet elektromagnetisk induktion). Bevægelsen af induktionsstrømmen vil altid være modsat af den vekselstrøm, der cirkulerer gennem lederen, det vil sige, at den vil modstå hver ændring i strømmens retning i lederen eller spolen. Denne proces kaldes selvinduktion. Den resulterende elektriske forskelpotentialer kaldes selvinduktionens EMF.
Bemærk, at fænomenet selvinduktion ikke kun opstår, når strømmens retning ændres, men også når den ændres, for eksempel når den øges på grund af et fald i modstanden i kredsløbet.
Til den fysiske beskrivelse af modstanden, der udøves af enhver ændring i strøm i et kredsløb på grund af selvinduktion, blev begrebet induktans introduceret, som måles i henries (til ære for den amerikanske fysiker Joseph Henry). En Henry er sådan en induktans, for hvilken, når strømmen ændres med 1 ampere på 1 sekund, opstår der en EMF i processen med selvinduktion, svarende til 1 volt.
Vekselstrøm
Når en induktor begynder at rotere i et magnetfelt, som et resultat af fænomenet elektromagnetisk induktion, skaber den en induceret strøm. Denne elektriske strøm er variabel, hvilket betyder, at den skifter retning systematisk.
Vekselstrøm er mere almindelig end jævnstrøm. Så mange enheder, der opererer fra det centrale elektriske netværk, bruger denne type strøm. Vekselstrøm er lettere at inducere og transportere end jævnstrøm. Som regel er frekvensen af husstands vekselstrøm 50-60 Hz, det vil sige på 1 sekund ændres retningen 50-60 gange.
Den geometriske repræsentation af vekselstrøm er en sinusformet kurve, der beskriver spændingens afhængighed af tid. Den fulde periode af den sinusformede kurve for husstandsstrøm er cirka 20 millisekunder. Ifølge den termiske effekt svarer vekselstrøm til strømDC, hvis spænding er Umax/√2, hvor Umax er den maksimale spænding på AC sinuskurven.
Brugen af elektromagnetisk induktion i teknologi
Opdagelsen af fænomenet elektromagnetisk induktion producerede et virkelig boom i udviklingen af teknologi. Før denne opdagelse var mennesker kun i stand til at generere elektricitet i begrænsede mængder ved hjælp af elektriske batterier.
I øjeblikket bruges dette fysiske fænomen i elektriske transformere, i varmeapparater, der omdanner induceret strøm til varme, og i elektriske motorer og bilgeneratorer.
