Indukcja elektromagnetyczna: wzór i jednostki, jak to działa i przykłady
Indukcja elektromagnetyczna jest definiowana jako indukcja siły elektromotorycznej (napięcia) w pobliskim ośrodku lub ciele z powodu obecności zmiennego pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte przez brytyjskiego fizyka i chemika Michaela Faradaya w roku 1831 na podstawie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya.
Faraday przeprowadził testy eksperymentalne z magnesem trwałym otoczonym cewką drutu i obserwował indukcję napięcia na wspomnianej cewce oraz cyrkulację prądu bazowego.
Prawo to wskazuje, że napięcie indukowane w zamkniętej pętli jest wprost proporcjonalne do szybkości zmiany strumienia magnetycznego podczas przekraczania powierzchni, w odniesieniu do czasu. Zatem możliwe jest indukowanie obecności różnicy napięcia (napięcia) na sąsiednim ciele z powodu wpływu zmiennych pól magnetycznych.
Z kolei to indukowane napięcie powoduje cyrkulację prądu odpowiadającego indukowanemu napięciu i impedancji obiektu analizy. Zjawiskiem tym jest zasada działania systemów zasilania i urządzeń codziennego użytku, takich jak: silniki, generatory i transformatory elektryczne, piece indukcyjne, cewki indukcyjne, baterie itp.
Formuła i jednostki
Indukcja elektromagnetyczna zaobserwowana przez Faradaya została podzielona ze światem nauki poprzez modelowanie matematyczne, które pozwala na replikację tego typu zjawisk i przewidywanie ich zachowania.
Formuła
Aby obliczyć parametry elektryczne (napięcie, prąd) związane ze zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej, musimy najpierw określić, jaka jest wartość indukcji magnetycznej, obecnie znana jako pole magnetyczne.
Aby wiedzieć, jaki jest strumień magnetyczny, który przechodzi przez pewną powierzchnię, iloczyn indukcji magnetycznej musi być obliczony przez ten obszar. Tak więc:
Gdzie:
Φ: Przepływ magnetyczny [Wb]
B: Indukcja magnetyczna [T]
S: Powierzchnia [m2]
Prawo Faradaya wskazuje, że siła elektromotoryczna indukowana na otaczających ciałach jest określana przez szybkość zmian strumienia magnetycznego w odniesieniu do czasu, jak opisano poniżej:
Gdzie:
ε: Siła elektromotoryczna [V]
Zastępując wartość strumienia magnetycznego w poprzednim wyrażeniu, mamy następujące:
Jeśli całki są stosowane po obu stronach równania w celu wyznaczenia skończonej trajektorii dla obszaru związanego z strumieniem magnetycznym, uzyskuje się dokładniejsze przybliżenie wymaganego obliczenia.
Ponadto obliczanie siły elektromotorycznej w zamkniętym obwodzie jest również ograniczone w ten sposób. Tak więc, stosując integrację w obu członkach równania, uzyskuje się, że:
Jednostka miary
Indukcja magnetyczna jest mierzona w Międzynarodowym Systemie Jednostek (SI) w Teslas. Ta jednostka miary jest reprezentowana przez literę T i odpowiada zestawowi następujących jednostek podstawowych.
Tesla jest równoważna indukcji magnetycznej o jednolitym charakterze, która wytwarza strumień magnetyczny o wartości 1 Webera na powierzchni jednego metra kwadratowego.
Zgodnie z Cegesimal System of Units (CGS) jednostką pomiaru indukcji magnetycznej jest gauss. Relacja równoważności między obiema jednostkami jest następująca:
1 tesla = 10 000 gausów
Jednostka pomiaru indukcji magnetycznej zawdzięcza swoją nazwę inżynierowi, fizykowi i wynalazcy serbsko-chorwackiemu Nikoli Tesli. Został tak nazwany w połowie 1960 roku.
Jak to działa?
Nazywa się to indukcją, ponieważ nie ma fizycznego połączenia między pierwszorzędnym i drugorzędnym elementem; w konsekwencji wszystko dzieje się poprzez pośrednie i niematerialne połączenia.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zachodzi przy oddziaływaniu linii siły zmiennego pola magnetycznego na wolne elektrony pobliskiego elementu przewodzącego.
W tym celu obiekt lub środki, na których następuje indukcja, muszą być ustawione prostopadle względem linii siły pola magnetycznego. W ten sposób siła wywierana na wolne elektrony jest większa iw konsekwencji indukcja elektromagnetyczna jest znacznie silniejsza.
Z kolei kierunek cyrkulacji indukowanego prądu jest określony przez kierunek wyznaczony przez linie siły zmiennego pola magnetycznego.
Z drugiej strony istnieją trzy metody, dzięki którym przepływ pola magnetycznego może się zmieniać, aby wywołać siłę elektromotoryczną na ciele lub pobliskim obiekcie:
1- Zmodyfikuj moduł pola magnetycznego, zmieniając intensywność przepływu.
2- Zmień kąt między polem magnetycznym a powierzchnią.
3- Zmień rozmiar naturalnej powierzchni.
Następnie, po zmodyfikowaniu pola magnetycznego, w sąsiednim obiekcie indukowana jest siła elektromotoryczna, która w zależności od oporu, jaki posiada (impedancja), wytworzy prąd indukowany.
W tej kolejności pomysłów proporcja tego indukowanego prądu będzie większa lub mniejsza niż pierwotna, w zależności od fizycznej konfiguracji systemu.
Przykłady
Zasada indukcji elektromagnetycznej jest podstawą działania transformatorów napięcia elektrycznego.
Współczynnik transformacji przekładnika napięciowego (reduktora lub elewatora) jest określony przez liczbę uzwojeń, które ma każde uzwojenie transformatora.
Tak więc, w zależności od liczby cewek, napięcie wtórne może być wyższe (transformator podwyższający) lub niższe (transformator obniżający), w zależności od zastosowania w połączonym układzie elektrycznym.
Podobnie turbiny wytwarzające energię elektryczną w centrach hydroelektrycznych działają również dzięki indukcji elektromagnetycznej.
W tym przypadku łopatki turbiny przesuwają oś obrotu, która znajduje się między turbiną a generatorem. To powoduje mobilizację wirnika.
Z kolei wirnik składa się z szeregu uzwojeń, które podczas ruchu powodują powstanie zmiennego pola magnetycznego.
Ten ostatni wywołuje siłę elektromotoryczną w stojanie generatora, która jest połączona z systemem, który umożliwia transport energii generowanej podczas procesu w trybie online.
Za pomocą dwóch przykładów przed ujawnieniem możliwe jest wykrycie, jak indukcja elektromagnetyczna stanowi część naszego życia w elementarnych zastosowaniach życia codziennego.
