Elektromagnetinės indukcijos reiškinys yra reiškinys, kurį sudaro elektrovaros jėgos arba įtampos atsiradimas kūne, esančiame magnetiniame lauke, kuris nuolat kinta. Elektrovaros jėga dėl elektromagnetinės indukcijos taip pat atsiranda, jei kūnas juda statiniame ir netolygiame magnetiniame lauke arba sukasi magnetiniame lauke taip, kad pasikeičia jo linijos, kertančios uždarą kilpą.
Indukuota elektros srovė
Sąvoka „indukcija“reiškia proceso atsiradimą dėl kito proceso poveikio. Pavyzdžiui, elektros srovė gali būti indukuota, tai yra, ji gali atsirasti dėl laidininko magnetinio lauko poveikio ypatingu būdu. Tokia elektros srovė vadinama indukuota. Elektros srovės susidarymo dėl elektromagnetinės indukcijos reiškinio sąlygos aptariamos vėliau straipsnyje.
Magnetinio lauko samprata
PriešNorint pradėti tirti elektromagnetinės indukcijos reiškinį, būtina suprasti, kas yra magnetinis laukas. Paprastais žodžiais tariant, magnetinis laukas yra erdvės sritis, kurioje magnetinė medžiaga demonstruoja savo magnetinius efektus ir savybes. Šią erdvės sritį galima pavaizduoti naudojant linijas, vadinamas magnetinio lauko linijomis. Šių linijų skaičius reiškia fizinį dydį, vadinamą magnetiniu srautu. Magnetinio lauko linijos yra uždaros, jos prasideda šiauriniame magneto poliuje ir baigiasi pietuose.
Magnetinis laukas gali veikti bet kokias medžiagas, turinčias magnetinių savybių, pavyzdžiui, geležinius elektros srovės laidininkus. Šiam laukui būdinga magnetinė indukcija, kuri žymima B ir matuojama teslomis (T). 1 T magnetinė indukcija yra labai stiprus magnetinis laukas, veikiantis 1 niutono jėga taškinį 1 kulono krūvį, kuris skrieja statmenai magnetinio lauko linijoms 1 m/s greičiu, tai yra 1 T.=1 Ns / (mCl).
Kas atrado elektromagnetinės indukcijos reiškinį?
Elektromagnetinė indukcija, kurios principu remiasi daugelis šiuolaikinių prietaisų, buvo atrasta XIX amžiaus 30-ųjų pradžioje. Elektromagnetinės indukcijos reiškinio atradimas dažniausiai priskiriamas Michaelui Faraday'ui (atradimo data – 1831 m. rugpjūčio 29 d.). Mokslininkas rėmėsi danų fiziko ir chemiko Hanso Oerstedo eksperimentų rezultatais, kurie atrado, kad laidininkas, kuriuo teka elektros srovė, sukuria.magnetinis laukas aplink save, tai yra, jis pradeda rodyti magnetines savybes.
Faraday savo ruožtu atrado Oerstedo atrasto reiškinio priešingybę. Jis pastebėjo, kad besikeičiantis magnetinis laukas, kurį galima sukurti keičiant laidininko elektros srovės parametrus, bet kurio srovės laidininko galuose sukelia potencialų skirtumą. Jei šie galai yra sujungti, pavyzdžiui, per elektros lempą, tada tokia grandine tekės elektros srovė.
Todėl Faradėjus atrado fizinį procesą, kurio pasekoje dėl magnetinio lauko pasikeitimo laidininke atsiranda elektros srovė, o tai yra elektromagnetinės indukcijos reiškinys. Tuo pačiu metu indukuotos srovės susidarymui nesvarbu, kas juda: magnetinis laukas ar pats laidininkas. Tai galima lengvai parodyti atlikus atitinkamą elektromagnetinės indukcijos reiškinio eksperimentą. Taigi, įdėję magnetą į metalinę spiralę, pradedame jį judinti. Jei spiralės galus per tam tikrą elektros srovės indikatorių sujungsite į grandinę, pamatysite srovės išvaizdą. Dabar turėtumėte palikti magnetą ramybėje ir perkelti spiralę aukštyn ir žemyn magneto atžvilgiu. Indikatorius taip pat parodys, kad grandinėje yra srovė.
Faradėjaus eksperimentas
Faradėjaus eksperimentus sudarė darbas su laidininku ir nuolatiniu magnetu. Michaelas Faradėjus pirmą kartą atrado, kad laidininkui judant magnetinio lauko viduje, jo galuose atsiranda potencialų skirtumas. Judantis laidininkas pradeda kirsti magnetinio lauko linijas, o tai imituojašio lauko pakeitimo poveikis.
Mokslininkas išsiaiškino, kad teigiami ir neigiami susidarančio potencialų skirtumo požymiai priklauso nuo krypties, kuria juda laidininkas. Pavyzdžiui, jei laidininkas pakeltas magnetiniame lauke, tai susidaręs potencialų skirtumas turės +- poliškumą, bet jei šis laidininkas bus nuleistas, tada jau gausime -+ poliškumą. Šie potencialų, kurių skirtumas vadinamas elektrovaros jėga (EMF), ženklo pokyčiai lemia, kad uždaroje grandinėje atsiranda kintamoji srovė, tai yra srovė, kuri nuolat keičia savo kryptį į priešingą.
Elektromagnetinės indukcijos ypatybės, kurias atrado Faradėjus
Žinodami, kas atrado elektromagnetinės indukcijos reiškinį ir kodėl yra indukuota srovė, paaiškinsime kai kurias šio reiškinio ypatybes. Taigi, kuo greičiau judėsite laidininką magnetiniame lauke, tuo didesnė grandinėje bus indukuotos srovės vertė. Kita reiškinio ypatybė yra tokia: kuo didesnė lauko magnetinė indukcija, tai yra, kuo stipresnis šis laukas, tuo didesnį potencialų skirtumą jis gali sukurti, judindamas laidininką lauke. Jei laidininkas yra ramybės būsenoje magnetiniame lauke, jame EML neatsiranda, nes magnetinės indukcijos linijos, kertančios laidininką, nesikeičia.
Elektros srovės kryptis ir kairės rankos taisyklė
Norėdami nustatyti elektros srovės, susidariusios dėl elektromagnetinės indukcijos reiškinio, kryptį, galitenaudokite vadinamąją kairės rankos taisyklę. Jį galima suformuluoti taip: jei kairioji ranka padėta taip, kad magnetinės indukcijos linijos, prasidedančios nuo magneto šiaurinio ašigalio, patektų į delną, o išsikišęs nykštys būtų nukreiptas laidininko judėjimo kryptimi. magneto lauką, tada likę keturi kairės rankos pirštai parodys judėjimo kryptį, sukeliančią srovę laidininke.
Yra ir kita šios taisyklės versija, ji yra tokia: jei kairės rankos smilius nukreiptas išilgai magnetinės indukcijos linijų, o išsikišęs nykštys nukreiptas laidininko kryptimi, tada vidurinis pirštas, pasuktas 90 laipsnių į delną, parodys atsiradusios srovės laidininke kryptį.
Savęs indukcijos reiškinys
Hans Christian Oersted atrado magnetinio lauko egzistavimą aplink laidininką arba ritę su srove. Mokslininkas taip pat nustatė, kad šio lauko charakteristikos yra tiesiogiai susijusios su srovės stiprumu ir jos kryptimi. Jei srovė ritėje ar laidininke yra kintama, tada jis sukurs magnetinį lauką, kuris nebus stacionarus, tai yra, jis keisis. Savo ruožtu šis kintamasis laukas sukels indukuotos srovės atsiradimą (elektromagnetinės indukcijos reiškinys). Indukcinės srovės judėjimas visada bus priešingas kintamajai srovei, cirkuliuojančiai per laidininką, tai yra, ji priešinsis kiekvienam srovės krypties pokyčiui laidininke ar ritėje. Šis procesas vadinamas saviindukcija. Gautas elektros skirtumaspotencialas vadinamas saviindukcijos EML.
Atkreipkite dėmesį, kad savaiminės indukcijos reiškinys atsiranda ne tik pasikeitus srovės krypčiai, bet ir tada, kai ji kinta, pavyzdžiui, didėjant dėl grandinės varžos sumažėjimo.
Fizikiniam varžos, kurią sukelia bet koks srovės pasikeitimas grandinėje dėl savaiminės indukcijos, apibūdinimui buvo įvesta induktyvumo sąvoka, kuri matuojama henriais (amerikiečių fiziko Džozefo Henrio garbei). Vienas henris yra toks induktyvumas, kurio srovei pasikeitus 1 amperu per 1 sekundę, savaiminės indukcijos procese atsiranda EML, lygus 1 voltui.
Kinamoji srovė
Kai induktorius pradeda suktis magnetiniame lauke, dėl elektromagnetinės indukcijos reiškinio, jis sukuria indukuotą srovę. Ši elektros srovė yra kintama, tai reiškia, kad ji sistemingai keičia kryptį.
Kinamoji srovė yra labiau paplitusi nei nuolatinė. Taigi daugelis įrenginių, veikiančių iš centrinio elektros tinklo, naudoja tokio tipo srovę. Kintamąją srovę lengviau sukelti ir transportuoti nei nuolatinę. Paprastai buitinės kintamosios srovės dažnis yra 50–60 Hz, tai yra, per 1 sekundę jos kryptis pasikeičia 50–60 kartų.
Geometrinis kintamosios srovės vaizdas yra sinusinė kreivė, nusakanti įtampos priklausomybę nuo laiko. Visas buitinės srovės sinusinės kreivės laikotarpis yra maždaug 20 milisekundžių. Pagal šiluminį efektą kintamoji srovė yra panaši į srovęDC, kurios įtampa yra Umax/√2, kur Umax yra didžiausia kintamosios srovės sinusinės kreivės įtampa.
Elektromagnetinės indukcijos naudojimas technologijose
Elektromagnetinės indukcijos reiškinio atradimas sukėlė tikrą technologijų plėtros bumą. Iki šio atradimo žmonės galėjo gaminti tik ribotą elektros energijos kiekį naudodami elektros baterijas.
Šiuo metu šis fizinis reiškinys naudojamas elektros transformatoriuose, šildytuvuose, kurie indukuotą srovę paverčia šiluma, ir elektros varikliuose bei automobilių generatoriuose.
