Praktična uporaba Faradayevega zakona elektromagnetne indukcije

Beseda "indukcija" v ruščini pomeni procese vzbujanja, usmerjanja, ustvarjanja nečesa. V elektrotehniki se ta izraz uporablja že več kot dve stoletji.

Po branju publikacij iz leta 1821, ki opisujejo poskuse danskega znanstvenika Oersteda o odklonih magnetne igle v bližini prevodnika, po katerem teče električni tok, si je Michael Faraday zadal nalogo: pretvoriti magnetizem v elektriko.

Po 10 letih raziskovanja je formuliral osnovni zakon elektromagnetne indukcije in razložil, da se v vsaki zaprti zanki inducira elektromotorna sila. Njegova vrednost je določena s hitrostjo spremembe magnetnega pretoka, ki prodira v obravnavano zanko, vendar z znakom minus.

Prenos elektromagnetnega valovanja na daljavo

Prvo ugibanje, ki je padlo na misel znanstveniku, ni bilo okronano s praktičnim uspehom.

Dve sklenjeni žici je postavil eno poleg druge.Blizu enega sem namestil magnetno iglo kot indikator pretečega toka, v drugo žico pa dal impulz iz močnega galvanskega vira tistega časa: voltnega pola.

Raziskovalec je domneval, da bi s tokovnim impulzom v prvem krogu spreminjajoče se magnetno polje v njem induciralo tok v drugi žici, ki bi odklonil magnetno iglo. Toda rezultat se je izkazal za negativnega - indikator ne deluje. Namesto tega mu je manjkalo občutljivosti.

Možgani znanstvenika predvidevajo ustvarjanje in prenos elektromagnetnih valov na daljavo, ki se danes uporabljajo v radiu, televiziji, brezžičnem nadzoru, Wi-Fi tehnologijah in podobnih napravah. Enostavno ga je razočarala nepopolna elementna baza takratnih merilnih naprav.

Proizvodnja električne energije

Po slabem poskusu je Michael Faraday spremenil pogoje eksperimenta.

Za poskus je Faraday uporabil dve zaprti tuljavi. V prvem krogu je napajal električni tok iz vira, v drugem pa opazoval pojav EMF. Tok, ki poteka skozi zavoje tuljave #1, ustvari magnetni tok okoli tuljave, prodre v tuljavo #2 in v njej tvori elektromotorno silo.

Med Faradayevim poskusom:

• vklopite impulz za napajanje napetosti v vezju s stacionarnimi tuljavami;
• ko je bil tok uporabljen, je uvedel zgornjo tuljavo v spodnjo tuljavo;
• fiksirana tuljava št. 1 trajno in vanjo vstavljena tuljava št. 2;
• spremenila hitrost gibanja tuljav glede na drugo.

V vseh teh primerih je opazoval manifestacijo indukcije EMF v drugi tuljavi. In samo z enosmernim tokom skozi navitje št. 1 in stacionarne tuljave ni bilo elektromotorne sile.

Znanstvenik je ugotovil, da je EMF, induciran v drugi tuljavi, odvisen od hitrosti spreminjanja magnetnega toka. Je sorazmeren z njegovo velikostjo.

Isti vzorec se v celoti manifestira pri prehodu zaprte zanke magnetne silnice trajnega magneta. Pod vplivom EMF se v žici ustvari električni tok.

Magnetni pretok se v obravnavanem primeru spreminja v zanki Sk, ki jo ustvarja zaprt krog.

Tako je razvoj, ki ga je ustvaril Faraday, omogočil postavitev rotirajočega prevodnega okvirja v magnetno polje.

Nato je bil narejen iz velikega števila zavojev, pritrjenih v rotacijskih ležajih.Na koncih tuljave so bili nameščeni drsni obroči in ščetke, ki drsijo po njih, obremenitev pa je bila priključena skozi sponke ohišja. Rezultat je sodoben alternator.

Njegova enostavnejša zasnova nastane, ko je tuljava pritrjena na stacionarno ohišje in se magnetni sistem začne vrteti. V tem primeru je metoda generiranja tokov posledica elektromagnetna indukcija ni na noben način kršen.

Načelo delovanja elektromotorjev

Zakon elektromagnetne indukcije, ki ga je uvedel Michael Faraday, omogoča različne zasnove električnih motorjev. Imajo podobno strukturo kot generatorji: gibljiv rotor in stator, ki med seboj delujeta zaradi vrtečih se elektromagnetnih polj.

Električni tok teče le skozi statorsko navitje elektromotorja. Inducira magnetni tok, ki vpliva na magnetno polje rotorja. Posledično nastanejo sile, ki vrtijo gred motorja. Glej na to temo - Načelo delovanja in naprava elektromotorja

Pretvorba električne energije

Michael Faraday je ugotovil pojav inducirane elektromotorne sile in induciranega toka v bližnji tuljavi, ko se spremeni magnetno polje v sosednji tuljavi.

Tok v bližnji tuljavi se inducira, ko je stikalno vezje vklopljeno v tuljavi 1 in je vedno prisoten med delovanjem generatorja na tuljavo 3.

Delovanje vseh sodobnih transformatorskih naprav temelji na tej lastnosti, tako imenovani medsebojni indukciji.

Za izboljšanje prehoda magnetnega toka imajo izolirana navitja nameščena na skupnem jedru z minimalnim magnetnim uporom. Izdelan je iz posebnih vrst jekla in se oblikuje z zlaganjem tankih plošč v obliki odsekov določene oblike, imenovanih magnetno jedro.

Transformatorji zaradi medsebojne indukcije prenašajo energijo izmeničnega elektromagnetnega polja iz ene tuljave v drugo, zato pride do spremembe, transformacije vrednosti napetosti na njegovih vhodnih in izhodnih sponkah.

Razmerje med številom ovojev v navitjih določa koeficient transformacije, debelina žice, konstrukcija in prostornina materiala jedra - vrednost prenesene moči, delovni tok.

Delovanje induktorjev

Manifestacijo elektromagnetne indukcije opazimo v tuljavi, ko se spremeni vrednost toka, ki teče v njej. Ta proces se imenuje samoindukcija.

Ko je stikalo v zgornjem diagramu vklopljeno, inducirani tok spremeni značaj linearnega povečanja obratovalnega toka v vezju, kot tudi med izklopom.

Ko na žico, navito v tuljavo, ne deluje konstantna, ampak izmenična napetost, teče skozi njo vrednost toka, zmanjšana za induktivni upor.Energija samoindukcije fazno premakne tok glede na uporabljeno napetost.

Ta pojav se uporablja v dušilkah, ki so zasnovane za zmanjšanje velikih tokov, ki se pojavijo pod določenimi pogoji delovanja. Zlasti se uporabljajo takšne naprave v tokokrogu za osvetlitev fluorescentnih sijalk.

Značilnost zasnove magnetnega vezja dušilke je izrez plošč, ki je ustvarjen za nadaljnje povečanje magnetnega upora na magnetni tok zaradi tvorbe zračne reže.

Dušilke z razdeljenim in nastavljivim položajem magnetnega vezja se uporabljajo v številnih radijskih in električnih napravah. Pogosto jih najdemo v konstrukciji varilnih transformatorjev. Zmanjšajo velikost električnega obloka, ki poteka skozi elektrodo, na optimalno vrednost.

Indukcijske pečice

Pojav elektromagnetne indukcije se ne kaže le v žicah in tuljavah, temveč tudi v vseh masivnih kovinskih predmetih. V njih inducirane tokove običajno imenujemo vrtinčni tokovi, ki med delovanjem transformatorjev in dušilk povzročijo segrevanje magnetnega kroga in celotne strukture.

Da bi preprečili ta pojav, so jedra izdelana iz tanke pločevine in izolirana s plastjo laka, ki preprečuje prehod induciranih tokov.

V ogrevalnih strukturah vrtinčni tokovi ne omejujejo, ampak ustvarjajo najugodnejše pogoje za njihov prehod. Indukcijske pečice se pogosto uporabljajo v industrijski proizvodnji za ustvarjanje visokih temperatur.

Elektrotehnične merilne naprave

Velik razred indukcijskih naprav še naprej deluje v elektriki.Električni števci z vrtljivim aluminijastim diskom, ki je podoben konstrukciji močnostnega releja, dušilni sistemi številčnic, delujejo na principu elektromagnetne indukcije.

Plinski magnetni generatorji

Če se namesto zaprtega okvirja v magnetnem polju premika prevodni plin, tekočina ali plazma, se bodo naboji električne energije pod delovanjem magnetnih silnic začeli odmikati v strogo določenih smereh in tvoriti električni tok. Njegovo magnetno polje na nameščenih kontaktnih ploščah elektrod inducira elektromotorno silo. Pod njegovim delovanjem se v tokokrogu, povezanem z MHD generatorjem, ustvari električni tok.

Tako se zakon elektromagnetne indukcije manifestira v MHD generatorjih.

Ni zapletenih vrtljivih delov, kot je rotor. To poenostavlja zasnovo, omogoča znatno povečanje temperature delovnega okolja in hkrati učinkovitost proizvodnje električne energije. Generatorji MHD delujejo kot rezervni ali zasilni viri, ki lahko za kratka časovna obdobja proizvedejo pomembne pretoke električne energije.

Tako je zakon elektromagnetne indukcije, ki ga je nekoč utemeljil Michael Faraday, še danes pomemben.