Az elektromágneses indukció jelensége egy olyan jelenség, amely egy elektromotoros erő vagy feszültség fellépéséből áll egy állandóan változó mágneses térben elhelyezkedő testben. Az elektromágneses indukció következtében elektromotoros erő akkor is keletkezik, ha egy test statikus és nem egyenletes mágneses térben mozog, vagy mágneses térben úgy forog, hogy a zárt hurkot metsző vonalai megváltoznak.
Indukált elektromos áram
Az "indukció" fogalma alatt egy folyamat létrejöttét jelenti egy másik folyamat hatásának eredményeként. Például egy elektromos áram indukálható, azaz megjelenhet annak eredményeként, hogy egy vezetőt speciális módon mágneses térnek teszünk ki. Az ilyen elektromos áramot indukáltnak nevezzük. Az elektromágneses indukció jelensége következtében kialakuló elektromos áram kialakulásának feltételeit a cikk későbbi részében tárgyaljuk.
A mágneses mező fogalma
ElőtteAz elektromágneses indukció jelenségének tanulmányozásának megkezdéséhez meg kell érteni, mi a mágneses mező. Egyszerűen fogalmazva, a mágneses tér a tér olyan tartománya, amelyben egy mágneses anyag kifejti mágneses hatásait és tulajdonságait. Ezt a térrégiót mágneses erővonalaknak nevezett vonalak segítségével ábrázolhatjuk. Ezen vonalak száma egy fizikai mennyiséget jelöl, amelyet mágneses fluxusnak neveznek. A mágneses erővonalak zártak, a mágnes északi pólusánál kezdődnek és délen végződnek.
A mágneses tér képes hatni bármilyen mágneses tulajdonságú anyagra, például az elektromos áram vasvezetőire. Ezt a mezőt a mágneses indukció jellemzi, amelyet B-vel jelölünk, és teslában (T) mérik. Az 1 T értékű mágneses indukció egy nagyon erős mágneses tér, amely 1 coulombos ponttöltésre 1 newton erővel hat, és amely a mágneses erővonalakra merőlegesen repül 1 m/s sebességgel, azaz 1 T=1 Ns / (mCl).
Ki fedezte fel az elektromágneses indukció jelenségét?
Az elektromágneses indukciót, amelynek elvén sok modern eszköz alapul, a XIX. század 30-as éveinek elején fedezték fel. Az elektromágneses indukció jelenségének felfedezését általában Michael Faradaynek tulajdonítják (a felfedezés dátuma - 1831. augusztus 29.). A tudós Hans Oersted dán fizikus és kémikus kísérleteinek eredményein alapult, akik felfedezték, hogy egy vezető, amelyen elektromos áram folyik, létrehozmágneses mező önmaga körül, vagyis kezd mágneses tulajdonságokat mutatni.
Faraday pedig az Oersted által felfedezett jelenség ellenkezőjét fedezte fel. Észrevette, hogy a változó mágneses tér, amely a vezetőben lévő elektromos áram paramétereinek megváltoztatásával hozható létre, potenciálkülönbség megjelenéséhez vezet bármely áramvezető végén. Ha ezek a végek össze vannak kötve, például egy elektromos lámpán keresztül, akkor elektromos áram fog átfolyni egy ilyen áramkörön.
Ennek eredményeként Faraday felfedezett egy fizikai folyamatot, melynek eredményeként a mágneses tér változása következtében elektromos áram jelenik meg egy vezetőben, ami az elektromágneses indukció jelensége. Ugyanakkor az indukált áram kialakulásához nem mindegy, hogy mi mozog: a mágneses tér vagy maga a vezető. Ez könnyen kimutatható az elektromágneses indukció jelenségére vonatkozó megfelelő kísérlettel. Tehát, miután a mágnest a fémspirál belsejébe helyeztük, elkezdjük mozgatni. Ha a spirál végeit valamilyen elektromos áramjelzőn keresztül egy áramkörbe csatlakoztatja, láthatja az áram megjelenését. Most hagyd békén a mágnest, és mozgasd a spirált fel és le a mágneshez képest. A jelző azt is mutatja, hogy van-e áram az áramkörben.
Faraday-kísérlet
Faraday kísérletei egy vezetővel és egy állandó mágnessel végzett munkából álltak. Michael Faraday először fedezte fel, hogy amikor egy vezető mozog a mágneses térben, potenciálkülönbség keletkezik a végein. A mozgó vezető elkezdi keresztezni a mágneses erővonalakat, ami szimulála mező megváltoztatásának hatása.
A tudós felfedezte, hogy a keletkező potenciálkülönbség pozitív és negatív előjelei a vezető mozgási irányától függenek. Például, ha a vezetőt mágneses térben megemeljük, akkor a keletkező potenciálkülönbség +- polaritású lesz, de ha ezt a vezetőt leengedjük, akkor már -+ polaritást kapunk. Ezek a potenciálok előjelének változásai, amelyek különbségét elektromotoros erőnek (EMF) nevezik, egy zárt áramkörben váltakozó áram megjelenéséhez vezetnek, vagyis olyan áramhoz, amely folyamatosan az ellenkező irányba változtatja az irányát.
Faraday által felfedezett elektromágneses indukció jellemzői
Tudva, hogy ki fedezte fel az elektromágneses indukció jelenségét, és miért van indukált áram, elmagyarázzuk ennek a jelenségnek néhány jellemzőjét. Tehát minél gyorsabban mozgatja a vezetőt a mágneses térben, annál nagyobb lesz az indukált áram értéke az áramkörben. A jelenség másik jellemzője a következő: minél nagyobb a tér mágneses indukciója, vagyis minél erősebb ez a tér, annál nagyobb potenciálkülönbséget tud létrehozni a vezető térbeli mozgatásakor. Ha a vezető nyugalmi helyzetben van egy mágneses térben, nem keletkezik benne EMF, mivel a vezetőt keresztező mágneses indukciós vonalak nem változnak.
Elektromos áram iránya és bal oldali szabály
Az elektromágneses indukció jelensége következtében létrejövő elektromos áram vezetőjének irányának meghatározásáhozhasználja az úgynevezett balkéz szabályt. A következőképpen fogalmazható meg: ha a bal kezet úgy helyezzük el, hogy a mágnes északi pólusánál kezdődő mágneses indukciós vonalak a tenyérbe kerüljenek, és a kiálló hüvelykujj a vezető mozgási irányába irányuljon a mágnes mezőjét, akkor a bal kéz maradék négy ujja jelzi a mozgás irányát, az indukált áramot a vezetőben.
Ennek a szabálynak van egy másik változata is, ez a következő: ha a bal kéz mutatóujja a mágneses indukció vonala mentén, a kiálló hüvelykujja pedig a vezető irányába irányul, akkor a A tenyér felé 90 fokkal elfordított középső ujj jelzi a vezetőben megjelenő áram irányát.
Az önindukció jelensége
Hans Christian Oersted felfedezte a mágneses mező létezését egy áramvezető vagy tekercs körül. A tudós azt is megállapította, hogy ennek a mezőnek a jellemzői közvetlenül összefüggenek az áram erősségével és irányával. Ha a tekercsben vagy a vezetőben változó az áramerősség, akkor olyan mágneses teret hoz létre, amely nem lesz álló, azaz megváltozik. Ez a váltakozó mező viszont indukált áram megjelenéséhez vezet (az elektromágneses indukció jelensége). Az indukciós áram mozgása mindig ellentétes lesz a vezetőben keringő váltakozó árammal, azaz ellenáll minden áramirány-változásnak a vezetőben vagy tekercsben. Ezt a folyamatot önindukciónak nevezik. A keletkező elektromos különbségA potenciálokat az önindukció EMF-jének nevezzük.
Megjegyzendő, hogy az önindukció jelensége nem csak az áram irányának változásakor lép fel, hanem akkor is, ha az áram iránya megváltozik, például ha az áramkör ellenállásának csökkenése miatt növekszik.
Az áramkörben az önindukcióból adódó bármilyen áramváltozás által kifejtett ellenállás fizikai leírására bevezették az induktivitás fogalmát, amelyet henry-ben mérnek (Joseph Henry amerikai fizikus tiszteletére). Az egyik henry olyan induktivitás, amelynél, ha az áram 1 amperrel 1 másodperc alatt megváltozik, az önindukciós folyamat során 1 voltnak megfelelő EMF keletkezik.
Váltóáram
Amikor az induktor az elektromágneses indukció jelensége következtében mágneses térben forogni kezd, indukált áramot hoz létre. Ez az elektromos áram változó, vagyis szisztematikusan változtatja az irányt.
A váltakozó áram gyakoribb, mint az egyenáram. Tehát sok olyan eszköz, amely a központi elektromos hálózatról működik, használja ezt az áramot. A váltakozó áram könnyebben indukálható és szállítható, mint az egyenáram. A háztartási váltakozó áram frekvenciája általában 50-60 Hz, azaz 1 másodperc alatt az iránya 50-60-szor változik.
A váltakozó áram geometriai ábrázolása egy szinuszos görbe, amely a feszültség időtől való függőségét írja le. A háztartási áram szinuszos görbéjének teljes periódusa körülbelül 20 ezredmásodperc. A hőhatás szerint a váltakozó áram az áramhoz hasonlóDC, amelynek feszültsége Umax/√2, ahol Umax a maximális feszültség az AC szinuszos görbén.
Az elektromágneses indukció alkalmazása a technológiában
Az elektromágneses indukció jelenségének felfedezése valódi fellendülést idézett elő a technológia fejlődésében. A felfedezés előtt az emberek csak korlátozott mennyiségben tudtak elektromosságot termelni elektromos akkumulátorok segítségével.
Jelenleg ezt a fizikai jelenséget elektromos transzformátorokban, az indukált áramot hővé alakító fűtőberendezésekben, valamint villanymotorokban és autógenerátorokban használják.
