Nel materiale capiremo il concetto di induzione di campi elettromagnetici in situazioni in cui si manifesta. Consideriamo anche l'induttanza come un parametro chiave per il verificarsi di un flusso magnetico quando un campo elettrico appare in un conduttore.
L'induzione elettromagnetica è la generazione di corrente elettrica da parte di campi magnetici che cambiano nel tempo. Grazie alle scoperte di Faraday e Lenz, i modelli sono stati formulati in leggi, che hanno introdotto la simmetria nella comprensione dei flussi elettromagnetici. La teoria di Maxwell ha riunito le conoscenze sulla corrente elettrica e sui flussi magnetici. Grazie alla scoperta di Hertz, l'umanità ha imparato a conoscere le telecomunicazioni.
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flusso magnetico
Un campo elettromagnetico appare attorno a un conduttore con una corrente elettrica, tuttavia, in parallelo, si verifica anche il fenomeno opposto: l'induzione elettromagnetica.Si consideri il flusso magnetico come esempio: se un telaio conduttore è posto in un campo elettrico con induzione e spostato dall'alto verso il basso lungo le linee del campo magnetico oa destra o sinistra perpendicolarmente ad esse, allora il flusso magnetico che passa attraverso il telaio sarà costante.
Quando il telaio ruota attorno al proprio asse, dopo un po' il flusso magnetico cambierà di una certa quantità. Di conseguenza, nel riquadro appare un EMF di induzione e appare una corrente elettrica, chiamata induzione.
Induzione di campi elettromagnetici
Esaminiamo in dettaglio qual è il concetto di EMF di induzione. Quando un conduttore è posto in un campo magnetico e si muove con l'intersezione delle linee di campo, nel conduttore appare una forza elettromotrice chiamata EMF di induzione. Si verifica anche se il conduttore rimane fermo e il campo magnetico si muove e si interseca con le linee di forza del conduttore.
Quando il conduttore, dove si verifica la fem, si chiude al circuito esterno, a causa della presenza di questa fem, una corrente di induzione inizia a fluire attraverso il circuito. L'induzione elettromagnetica comporta il fenomeno dell'induzione EMF in un conduttore nel momento in cui è attraversato da linee di campo magnetico.
L'induzione elettromagnetica è il processo inverso di trasformazione dell'energia meccanica in corrente elettrica. Questo concetto e le sue leggi sono ampiamente utilizzate nell'ingegneria elettrica, la maggior parte delle macchine elettriche si basa su questo fenomeno.
Leggi di Faraday e Lenz
Le leggi di Faraday e Lenz riflettono i modelli di occorrenza dell'induzione elettromagnetica.
Faraday ha scoperto che gli effetti magnetici appaiono come risultato di cambiamenti nel flusso magnetico nel tempo.Al momento dell'attraversamento del conduttore con una corrente magnetica alternata, si genera una forza elettromotrice, che porta alla comparsa di una corrente elettrica. Sia un magnete permanente che un elettromagnete possono generare corrente.
Lo scienziato ha stabilito che l'intensità della corrente aumenta con un rapido cambiamento del numero di linee di forza che attraversano il circuito. Cioè, l'EMF dell'induzione elettromagnetica è direttamente proporzionale alla velocità del flusso magnetico.
Secondo la legge di Faraday, le formule di induzione EMF sono definite come segue:
E \u003d - dF / dt.
Il segno meno indica la relazione tra la polarità dell'EMF indotto, la direzione del flusso e la velocità variabile.
Secondo la legge di Lenz, è possibile caratterizzare la forza elettromotrice in funzione della sua direzione. Qualsiasi cambiamento nel flusso magnetico nella bobina porta alla comparsa di un EMF di induzione e, con un rapido cambiamento, si osserva un aumento dell'EMF.
Se la bobina, dove c'è un EMF di induzione, ha un cortocircuito verso un circuito esterno, allora una corrente di induzione scorre attraverso di essa, a seguito della quale appare un campo magnetico attorno al conduttore e la bobina acquisisce le proprietà di un solenoide . Di conseguenza, attorno alla bobina si forma un campo magnetico.
E.Kh. Lenz ha stabilito uno schema in base al quale vengono determinati la direzione della corrente di induzione nella bobina e l'EMF di induzione. La legge afferma che l'EMF di induzione nella bobina, al variare del flusso magnetico, forma una corrente direzionale nella bobina, in cui il flusso magnetico dato della bobina consente di evitare variazioni nel flusso magnetico estraneo.
La legge di Lenz si applica a tutte le situazioni di induzione di corrente elettrica nei conduttori, indipendentemente dalla loro configurazione e dal metodo di variazione del campo magnetico esterno.
Il movimento di un filo in un campo magnetico
Il valore dell'EMF indotto è determinato in funzione della lunghezza del conduttore attraversato dalle linee di forza del campo. Con un numero maggiore di linee di campo, il valore della fem indotta aumenta. Con un aumento del campo magnetico e dell'induzione, nel conduttore si verifica un valore maggiore di EMF. Pertanto, il valore dell'EMF di induzione in un conduttore che si muove in un campo magnetico dipende direttamente dall'induzione del campo magnetico, dalla lunghezza del conduttore e dalla velocità del suo movimento.
Questa dipendenza si riflette nella formula E = Blv, dove E è la fem di induzione; B è il valore dell'induzione magnetica; I è la lunghezza del conduttore; v è la velocità del suo movimento.
Si noti che in un conduttore che si muove in un campo magnetico, l'EMF di induzione appare solo quando attraversa le linee del campo magnetico. Se il conduttore si muove lungo le linee di forza, non viene indotto alcun EMF. Per questo motivo la formula si applica solo nei casi in cui il movimento del conduttore è diretto perpendicolarmente alle linee di forza.
La direzione dell'EMF indotta e della corrente elettrica nel conduttore è determinata dalla direzione del movimento del conduttore stesso. Per identificare la direzione, è stata sviluppata la regola della mano destra. Se tieni il palmo della mano destra in modo che le linee di campo entrino nella sua direzione e il pollice indichi la direzione del movimento del conduttore, le restanti quattro dita indicano la direzione della fem indotta e la direzione della corrente elettrica nel conduttore.
Bobina rotante
Il funzionamento del generatore di corrente elettrica si basa sulla rotazione della bobina in un flusso magnetico, dove c'è un certo numero di spire. L'EMF viene indotto in un circuito elettrico sempre quando è attraversato da un flusso magnetico, in base alla formula del flusso magnetico Ф \u003d B x S x cos α (induzione magnetica moltiplicata per la superficie attraverso la quale passa il flusso magnetico e il coseno dell'angolo formato dal vettore di direzione e dalle rette perpendicolari).
Secondo la formula, F è influenzata dai cambiamenti nelle situazioni:
- quando cambia il flusso magnetico, cambia il vettore di direzione;
- l'area racchiusa nel contorno cambia;
- cambia l'angolo
È consentito indurre EMF con un magnete stazionario o una corrente costante, ma semplicemente quando la bobina ruota attorno al proprio asse all'interno del campo magnetico. In questo caso, il flusso magnetico cambia al variare dell'angolo. La bobina nel processo di rotazione attraversa le linee di forza del flusso magnetico, di conseguenza appare un EMF. Con una rotazione uniforme, si verifica una variazione periodica del flusso magnetico. Inoltre, il numero di linee di campo che si incrociano ogni secondo diventa uguale ai valori a intervalli regolari.
In pratica, nei generatori di corrente alternata, la bobina rimane ferma e l'elettromagnete ruota attorno ad essa.
Autoinduzione EMF
Quando una corrente elettrica alternata passa attraverso la bobina, viene generato un campo magnetico alternato, caratterizzato da un flusso magnetico variabile che induce un EMF. Questo fenomeno è chiamato autoinduzione.
A causa del fatto che il flusso magnetico è proporzionale all'intensità della corrente elettrica, la formula EMF di autoinduzione si presenta così:
Ф = L x I, dove L è l'induttanza, che si misura in H.Il suo valore è determinato dal numero di giri per unità di lunghezza e dal valore della loro sezione trasversale.
Induzione reciproca
Quando due bobine sono affiancate, osservano l'EMF di mutua induzione, che è determinata dalla configurazione dei due circuiti e dal loro orientamento reciproco. All'aumentare della separazione dei circuiti, il valore dell'induttanza reciproca diminuisce, poiché si verifica una diminuzione del flusso magnetico totale per le due bobine.
Consideriamo in dettaglio il processo dell'emergere dell'induzione reciproca. Ci sono due bobine, la corrente I1 scorre attraverso il filo di una con N1 spire, che crea un flusso magnetico e passa attraverso la seconda bobina con N2 numero di spire.
Il valore della mutua induttanza della seconda bobina rispetto alla prima:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valore del flusso magnetico:
F21 = (M21/N2) x I1.
La fem indotta è calcolata dalla formula:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
Nella prima bobina, il valore della fem indotta:
E1 = - M12 x dI2/dt.
È importante notare che la forza elettromotrice provocata dalla mutua induzione in una delle bobine è comunque direttamente proporzionale alla variazione di corrente elettrica nell'altra bobina.
Allora la mutua induttanza è considerata uguale a:
M12 = M21 = M.
Di conseguenza, E1 = - M x dI2/dt e E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), dove K è il coefficiente di accoppiamento tra i due valori di induttanza.
L'induttanza reciproca è ampiamente utilizzata nei trasformatori, che consentono di modificare il valore di una corrente elettrica alternata. Il dispositivo è una coppia di bobine avvolte su un nucleo comune. La corrente nella prima bobina forma un flusso magnetico variabile nel circuito magnetico e una corrente nella seconda bobina.Con meno spire nella prima bobina rispetto alla seconda, la tensione aumenta e, di conseguenza, con un numero maggiore di spire nel primo avvolgimento, la tensione diminuisce.
Oltre a generare e trasformare energia elettrica, il fenomeno dell'induzione magnetica viene utilizzato in altri dispositivi. Ad esempio, nei treni a levitazione magnetica che si muovono senza contatto diretto con la corrente nei binari, ma più alti di un paio di centimetri a causa della repulsione elettromagnetica.
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