Praktična primjena Faradayeva zakona elektromagnetske indukcije
Riječ "indukcija" na ruskom znači procese pobude, usmjeravanja, stvaranja nečega. U elektrotehnici se ovaj pojam koristi više od dva stoljeća.
Nakon što je pročitao publikacije iz 1821. godine koje opisuju pokuse danskog znanstvenika Oersteda o otklonima magnetske igle u blizini vodiča koji nosi električnu struju, Michael Faraday postavio si je zadatak: pretvoriti magnetizam u električnu energiju.
Nakon 10 godina istraživanja, formulirao je osnovni zakon elektromagnetske indukcije, objašnjavajući da se elektromotorna sila inducira u bilo kojoj zatvorenoj petlji. Njegova vrijednost određena je brzinom promjene magnetskog toka koji prodire u razmatranu petlju, ali uz znak minus.
Prijenos elektromagnetskih valova na daljinu
Prva pretpostavka koja je znanstveniku pala na pamet nije bila okrunjena praktičnim uspjehom.
Postavio je dvije zatvorene žice jednu do druge.U blizini jedne sam postavio magnetsku iglu kao indikator prolazne struje, au drugoj žici sam dao impuls iz moćnog galvanskog izvora tog vremena: voltnog stupa.
Istraživač je pretpostavio da bi uz strujni impuls u prvom krugu, promjenjivo magnetsko polje u njemu induciralo struju u drugoj žici, koja bi skrenula magnetsku iglu. Ali rezultat se pokazao negativnim - indikator ne radi. Dapače, nedostajalo mu je osjetljivosti.
Mozak znanstvenika predviđa stvaranje i prijenos elektromagnetskih valova na daljinu, koji se danas koriste u radiodifuziji, televiziji, bežičnom upravljanju, Wi-Fi tehnologijama i sličnim uređajima. Jednostavno je bio frustriran nesavršenom elementarnom bazom tadašnjih mjernih uređaja.
Proizvodnja električne energije
Nakon lošeg pokusa Michael Faraday promijenio je uvjete pokusa.
Za eksperiment je Faraday koristio dvije zatvorene zavojnice. U prvom krugu je iz izvora napajao električnu struju, a u drugom je promatrao pojavu EMF-a. Struja koja prolazi kroz zavoje zavojnice #1 stvara magnetski tok oko zavojnice, prodire u zavojnicu #2 i u njoj stvara elektromotornu silu.
Tijekom Faradayeva eksperimenta:
- uključiti impuls za opskrbu naponom kruga sa stacionarnim zavojnicama;
- kada je dovedena struja, uvela je gornji svitak u donji svitak;
- trajno učvrstiti zavojnicu br. 1 i u nju uvesti zavojnicu br. 2;
- promijenio brzinu kretanja zavojnica jedna u odnosu na drugu.
U svim tim slučajevima promatrao je manifestaciju indukcije EMF-a u drugom svitku. A uz samo istosmjernu struju koja prolazi kroz namot br. 1 i stacionarne zavojnice, nije bilo elektromotorne sile.
Znanstvenik je utvrdio da EMF induciran u drugoj zavojnici ovisi o brzini kojom se mijenja magnetski tok. Proporcionalna je svojoj veličini.
Isti obrazac se u potpunosti očituje kada prolazi zatvorena petlja magnetske silnice trajnog magneta. Pod utjecajem EMF-a u žici se stvara električna struja.
Magnetski tok u razmatranom slučaju mijenja se u petlji Sk koju stvara zatvoreni krug.
Dakle, razvoj koji je stvorio Faraday omogućio je postavljanje rotirajućeg vodljivog okvira u magnetsko polje.
Zatim je napravljen od velikog broja zavoja učvršćenih u rotacijskim ležajevima.Na krajevima zavojnice ugrađeni su klizni prstenovi i četkice koje klize po njima, a preko stezaljki kućišta spojeno je opterećenje. Rezultat je moderan alternator.
Njegov jednostavniji dizajn nastaje kada se zavojnica fiksira na stacionarno kućište i magnetski sustav se počne okretati. U ovom slučaju, metoda generiranja struja je zbog elektromagnetska indukcija nije povrijeđeno ni na koji način.
Princip rada elektromotora
Zakon elektromagnetske indukcije, koji je uveo Michael Faraday, dopušta različite dizajne električnih motora. Imaju sličnu strukturu kao generatori: pomični rotor i stator koji međusobno djeluju zahvaljujući rotirajućim elektromagnetskim poljima.
Električna struja prolazi samo kroz namot statora elektromotora. Inducira magnetski tok koji utječe na magnetsko polje rotora. Kao rezultat toga nastaju sile koje okreću osovinu motora. Vidi na ovu temu — Princip rada i uređaj elektromotora
Transformacija električne energije
Michael Faraday je utvrdio pojavu inducirane elektromotorne sile i inducirane struje u obližnjoj zavojnici kada se promijeni magnetsko polje u susjednoj zavojnici.
Struja u obližnjoj zavojnici inducira se kada je krug sklopke uključen u zavojnici 1 i uvijek je prisutna tijekom rada generatora prema zavojnici 3.
Rad svih modernih transformatorskih uređaja temelji se na ovom svojstvu, takozvanoj međusobnoj indukciji.
Transformatori, zbog međusobne indukcije, prenose energiju izmjeničnog elektromagnetskog polja s jedne zavojnice na drugu, pa dolazi do promjene, transformacije vrijednosti napona na njegovim ulaznim i izlaznim stezaljkama.
Omjer broja zavoja u namotima određuje koeficijent transformacije, a debljina žice, konstrukcija i volumen materijala jezgre - vrijednost prenesene snage, radna struja.
Rad induktora
Manifestacija elektromagnetske indukcije opaža se u svitku kada se promijeni vrijednost struje koja teče u njemu. Taj se proces naziva samoindukcija.
Kada je sklopka uključena u gornjem dijagramu, inducirana struja mijenja karakter linearnog povećanja radne struje u krugu, kao i tijekom isključivanja.
Kad se na žicu namotanu u zavojnicu ne dovodi konstantan, nego izmjenični napon, tada kroz nju teče vrijednost struje umanjena za induktivni otpor.Energija samoindukcije fazno pomiče struju u odnosu na primijenjeni napon.
Ovaj se fenomen koristi u prigušnicama koje su dizajnirane za smanjenje velikih struja koje se javljaju pod određenim radnim uvjetima. Posebno se koriste takvi uređaji u krugu za rasvjetu fluorescentnih svjetiljki.
Značajka dizajna magnetskog kruga prigušnice je izrez ploča, koji je stvoren za daljnje povećanje magnetske otpornosti na magnetski tok zbog stvaranja zračnog raspora.
Prigušnice s razdvojenim i podesivim položajem magnetskog kruga koriste se u mnogim radijskim i električnim uređajima. Vrlo često se mogu naći u konstrukciji transformatora za zavarivanje. Oni smanjuju veličinu električnog luka koji prolazi kroz elektrodu na optimalnu vrijednost.
Indukcijske pećnice
Fenomen elektromagnetske indukcije očituje se ne samo u žicama i zavojnicama, već iu svim masivnim metalnim predmetima. Struje koje se u njima induciraju obično se nazivaju vrtložnim strujama, koje tijekom rada transformatora i prigušnica uzrokuju zagrijavanje magnetskog kruga i cijele strukture.
Da bi se spriječila ova pojava, jezgre su izrađene od tankih metalnih limova i izolirane slojem laka, koji sprječava prolaz induciranih struja.
U grijaćim strukturama, vrtložne struje ne ograničavaju, već stvaraju najpovoljnije uvjete za njihov prolaz. Indukcijske pećnice naširoko se koriste u industrijskoj proizvodnji za stvaranje visokih temperatura.
Elektrotehnički mjerni uređaji
Velika klasa indukcijskih uređaja nastavlja raditi u struji.Električna brojila s rotirajućim aluminijskim diskom slična konstrukciji releja snage, prigušujući sustavi biranja, rade na principu elektromagnetske indukcije.
Plinski magnetski generatori
Ako se umjesto zatvorenog okvira u polju magneta kreće vodljivi plin, tekućina ili plazma, tada će naboji električne energije pod djelovanjem linija magnetskog polja početi odstupati u točno određenim smjerovima, tvoreći električnu struju. Njegovo magnetsko polje na montiranim kontaktnim pločama elektrode inducira elektromotornu silu. Pod njegovim djelovanjem u spojenom krugu na MHD generator nastaje električna struja.
Dakle, zakon elektromagnetske indukcije očituje se u MHD generatorima.
Nema kompliciranih rotirajućih dijelova poput rotora. To pojednostavljuje dizajn, omogućuje značajno povećanje temperature radnog okruženja i istodobno učinkovitost proizvodnje električne energije. MHD generatori rade kao pomoćni ili hitni izvori sposobni generirati značajne protoke električne energije u kratkim vremenskim razdobljima.
Dakle, zakon elektromagnetske indukcije, koji je svojedobno potkrijepio Michael Faraday, i danas je relevantan.