Elektromagnetisk induktion
Udseendet i induktionen af lederens EMF
Hvis du sætter magnetfelt ledning og flyt den, så den krydser marklinjerne, mens den bevæger sig, så vil ledningen have Elektromotorisk kraftKaldes EMF-induktion.
En induktions-EMK vil forekomme i lederen, selvom selve lederen forbliver stationær, og magnetfeltet vil bevæge sig og krydse lederen med dens kraftlinjer.
Hvis lederen, hvori induktions-EMF er induceret, er lukket til ethvert eksternt kredsløb, så vil der under påvirkning af denne EMF strømme en strøm gennem kredsløbet, den såkaldte induktionsstrøm.
Fænomenet EMF-induktion i en leder, når den krydser dens magnetiske feltlinjer, kaldes elektromagnetisk induktion.
Elektromagnetisk induktion er den omvendte proces, det vil sige omdannelsen af mekanisk energi til elektrisk energi.
Fænomenet elektromagnetisk induktion er meget udbredt i Elektroteknik… Enheden af forskellige elektriske maskiner er baseret på dens brug.
Størrelsen og retningen af EMF-induktionen
Lad os nu overveje, hvad der vil være størrelsen og retningen af EMF induceret i lederen.
Størrelsen af induktions-EMK afhænger af antallet af kraftlinjer, der krydser ledningen pr. tidsenhed, dvs. af hastigheden af ledningens bevægelse i feltet.
Størrelsen af den inducerede EMF er direkte proportional med lederens bevægelseshastighed i et magnetfelt.
Størrelsen af den inducerede EMF afhænger også af længden af den del af tråden, der krydses af feltlinjerne. Jo større del af lederen, der krydses af feltlinjerne, jo større er den inducerede emk i lederen. Endelig, jo stærkere magnetfeltet er, det vil sige jo større dets induktion, jo større er EMF i lederen, der krydser dette felt.
Således er EMF-værdien af en induktion, der forekommer i en leder, når den bevæger sig i et magnetfelt, direkte proportional med induktionen af magnetfeltet, længden af lederen og hastigheden af dens bevægelse.
Denne afhængighed er udtrykt ved formlen E = Blv,
hvor E er induktions-EMK; B — magnetisk induktion; I er længden af tråden; v er trådens hastighed.
Det skal klart huskes, at i en leder, der bevæger sig i et magnetfelt, opstår EMF af induktion kun, hvis denne leder krydses af feltets magnetfeltlinjer. Hvis lederen bevæger sig langs feltlinjerne, det vil sige, at den ikke krydser, men ser ud til at glide langs dem, induceres der ingen EMF i den. Derfor er ovenstående formel kun gyldig, når ledningen bevæger sig vinkelret på magnetfeltlinjerne.
Retningen af den inducerede emk (såvel som strømmen i ledningen) afhænger af den retning, som ledningen bevæger sig i. Der er en højrehåndsregel til at bestemme retningen af den inducerede EMF.
Hvis du holder håndfladen på din højre hånd, så de magnetiske feltlinjer kommer ind i den, og den bøjede tommelfinger vil angive lederens bevægelsesretning, så vil de forlængede fire fingre angive virkningsretningen for den inducerede EMF og retningen af strømmen i lederen.
Højrehåndsreglen
EMF-induktion i spolen
Vi har allerede sagt, at for at skabe en EMF af induktion i en ledning, er det nødvendigt at flytte enten selve ledningen eller magnetfeltet ind i et magnetfelt. I begge tilfælde skal ledningen krydses af feltets magnetfeltlinjer, ellers vil der ikke blive induceret emk. Den inducerede emk, og dermed den inducerede strøm, kan ikke kun forekomme i en lige ledning, men også i en ledning snoet til en spole.
Når man bevæger sig indenfor spoler af en permanent magnet induceres en EMF i den på grund af det faktum, at magnetens magnetiske flux krydser spolens vindinger, det vil sige på samme måde som når man bevæger en lige ledning i en magnets felt.
Hvis magneten langsomt sænkes ned i spolen, vil den EMF, der opstår i den, være så lille, at enhedens nål måske ikke engang afviger. Hvis magneten derimod hurtigt sættes ind i spolen, vil pilens afbøjning være stor. Det betyder, at størrelsen af den inducerede EMF og dermed styrken af strømmen i spolen afhænger af magnetens hastighed, det vil sige, hvor hurtigt feltlinjerne i feltet krydser spolens vindinger. Hvis nu skiftevis først en stærk magnet og derefter en svag magnet indsættes i spolen med samme hastighed, så vil du bemærke, at med en stærk magnet vil enhedens nål afvige i en større vinkel.Det betyder, at størrelsen af den inducerede EMF og følgelig styrken af strømmen i spolen afhænger af størrelsen af magnetens magnetiske flux.
Endelig, hvis den samme magnet indføres med samme hastighed, først i en spole med et stort antal drejninger, og derefter med et meget mindre antal, så vil apparatets nål i det første tilfælde afvige med en større vinkel end i Sekundet. Dette betyder, at størrelsen af den inducerede EMF og følgelig styrken af strømmen i spolen afhænger af antallet af dens vindinger. De samme resultater kan opnås, hvis der anvendes en elektromagnet i stedet for en permanent magnet.
Retningen for induktion af EMF i spolen afhænger af magnetens bevægelsesretning. Hvordan man bestemmer retningen af EMF af induktion, siger loven etableret af E. H. Lenz.
Lenz' lov om elektromagnetisk induktion
Enhver ændring i den magnetiske flux inde i spolen er ledsaget af udseendet af en EMF af induktion i den, og jo hurtigere ændringen af den magnetiske flux, der trænger ind i spolen, jo større er EMF i den.
Hvis spolen, hvori induktions-EMF er skabt, er lukket til et eksternt kredsløb, så strømmer en induktionsstrøm gennem sine drejninger, hvilket skaber et magnetisk felt omkring ledningen, på grund af hvilket spolen bliver til en solenoide. Det viser sig, at det skiftende ydre magnetfelt inducerer en induceret strøm i spolen, som igen skaber sit eget magnetfelt omkring spolen - strømfeltet.
Ved at studere dette fænomen etablerede E. H. Lenz en lov, der bestemmer retningen af induktionsstrømmen i spolen og følgelig retningen af induktions-EMK.Den emf af induktion, der forekommer i spolen, når den magnetiske flux ændres i den, skaber en strøm i spolen i en sådan retning, at den magnetiske flux af spolen, der skabes af denne strøm, forhindrer den eksterne magnetiske flux i at ændre sig.
Lenz' lov gælder for alle tilfælde af strøminduktion i ledninger, uanset ledningernes form og hvordan ændringen i det ydre magnetfelt opnås.
Når den permanente magnet bevæger sig i forhold til trådspolen, der er forbundet til galvanometerets terminaler, eller når spolen bevæger sig i forhold til magneten, genereres en induceret strøm.
Induktionsstrømme i massive ledere
Den skiftende magnetiske flux er i stand til at inducere en EMF ikke kun i spolens vindinger, men også i massive metalledere. Den magnetiske flux, der trænger ind i tykkelsen af en massiv leder, inducerer en EMF i den, som skaber induktionsstrømme. Disse såkaldte hvirvelstrømme spredt over en solid ledning og er kortsluttet i den.
Kernerne i transformatorer, magnetiske kerner i forskellige elektriske maskiner og enheder er kun de massive ledninger, der opvarmes af induktionsstrømmene, der opstår i dem. Dette fænomen er derfor uønsket, for at reducere størrelsen af induktionsstrømmene, er dele af elektriske maskiner og transformatorens kerne er ikke massive, men består af tynde plader, der er isoleret fra hinanden med papir eller et lag isolerende lak. Derfor er udbredelsen af hvirvelstrømme langs lederens masse blokeret.
Men nogle gange bruges hvirvelstrømme i praksis også som nyttige strømme. Brugen af disse strømninger tager udgangspunkt i f.eks. værket induktionsvarmeovne, elmålere og de såkaldte magnetiske dæmpere af bevægelige dele af elektriske måleinstrumenter.