Inductantie

Inductoren -- meestal in de vorm van spoelen -- worden veel gebruikt in vele circuittoepassingen. Hun doel is het opslaan van magnetische energie wanneer een constante stroom stroomt.

In een lus die een gesloten circuit vormt, induceert het veranderende magnetische veld een elektromotorische kracht die de stroom aandrijft. Dit fenomeen wordt elektromagnetische inductie genoemd. Een inductor is gewoon een spoel van draad en heeft de eigenschap van zelfinductie, die de spanning over zijn aansluitingen relateert aan de verandering in zijn eigen magnetische veld.

Deze video zal de concepten achter inductantie illustreren en vervolgens een inductie-experiment demonstreren met behulp van een staafmagneet en een spoel. Ten slotte bespreken we enkele van de huidige toepassingen voor inductoren.

Magnetische flux kan worden gezien als de hoeveelheid magnetisch veld die door een gebied gaat. Voor een uniform magnetisch veld B loodrecht op een oppervlak A, is magnetische flux phi gewoon het product van de twee. Volgens Faraday's wet van inductie genereert een veranderende magnetische flux in een lus van draad een elektromotorische kracht, of EMF, langs de lus. Deze EMF is gelijk aan het negatieve van de veranderingssnelheid van magnetische flux over tijd.

De veranderingssnelheid van de magnetische flux bepaalt de polariteit van de geïnduceerde elektromotorische kracht. Het negatieve teken in de uitdrukking voor Faraday's wet betekent dat als het magnetische veld afneemt met de tijd, de EMF positief is. Als het toeneemt met de tijd, is de EMF negatief. Wanneer de lus een gesloten circuit is, drijft de geïnduceerde EMF een stroom aan die op zijn beurt zijn eigen magnetische veld genereert. Dit magnetische veld heeft een oriëntatie gegeven door de Regel van de Rechterhand. Als de vingers van de rechterhand zich krullen rond de richting van de stroom in de lus, dan wijst de duim van de rechterhand in de richting van het gegenereerde magnetische veld. De geïnduceerde stroom moet in de richting stromen die een magnetisch veld creëert dat het veranderingssnelheid van het externe magnetische veld of de flux tegengaat.

Bijvoorbeeld, het magnetische veld van deze magneet wijst omhoog door een enkele lus van draad. Het bewegen van de magneet weg van de lus vermindert de sterkte van het magnetische veld door de lus. De verandering in magnetische flux - vertegenwoordigd door een vector die naar beneden wijst - induceert een positieve EMF die een stroom tegen de klok in aandrijft zoals getoond. Volgens de Regel van de Rechterhand creëert de stroom een magnetisch veld dat naar boven wijst binnen de lus om het afnemende magnetische veld of de flux tegen te gaan. In tegenstelling, het bewegen van de magneet richting de lus verhoogt het magnetische veld daar. De verandering in magnetische flux wordt weergegeven door een vector die omhoog wijst. In dit geval induceert het een negatieve EMF die een stroom met de klok mee aandrijft. Volgens de Regel van de Rechterhand creëert de stroom in deze richting een magnetisch veld dat naar beneden wijst binnen de lus om het toenemende magnetische veld of de flux tegen te gaan.

Laten we nu verder gaan van een lus naar een solenoïde, wat simpelweg meerdere lussen draad zijn die om een kern van lucht of magnetisch materiaal zijn gewikkeld. Het is een veel gebruikte inductor in elektrische circuits. Als er stroom door een solenoïde stroomt, creëert het een magnetisch veld binnen de inductor. De richting van dit magnetische veld wordt gegeven door de regel van de rechterhand. Dit veld produceert op zijn beurt een magnetische flux in de richting die hetzelfde is als die van het veld, en de hoeveelheid van deze flux is evenredig met de stroom. Daarom, als de stroom verandert met de tijd, doet dat ook de magnetische flux. Volgens de wet van Faraday induceert de veranderende flux een spanning die een stroom door de spoel aandrijft zodat het magnetische veld van de geïnduceerde stroom het veranderen van de oorspronkelijke flux tegengaat. Dit fenomeen van spanningsinductie over zijn eigen aansluitingen in reactie op veranderende stroom wordt zelfinductie genoemd, en de totale geïnduceerde spanning over de solenoïde is het aantal windingen N, vermenigvuldigd met de EMF van een enkele lus.

Nu we de basis hebben uitgelegd, laten we eens kijken hoe we elektromagnetische inductie in een natuurkundelab kunnen bestuderen.

Alle volgende experimenten gebruiken een analoog bipolair ampèremeter, dat een naald heeft die naar rechts of links van het nulpunt uitwijkt, afhankelijk van de richting van de stroom.

Eerst verkrijg een solenoïde met een holle kern, een staafmagneet met duidelijk gelabelde noord- en zuidpool, en de analoge bipolaire ampèremeter. Verbind vervolgens de solenoïde met de ampèremeter. Voor de eerste proef, steek de noordpool van de magneet in het uiteinde van de solenoïde dat verbonden is met de negatieve aansluiting van de ampèremeter. Observeer de ampèremeter en noteer de polariteit en geschatte omvang van de uitwijking van de naald. Trek de magneet uit de solenoïde en noteer de polariteit en geschatte omvang van de uitwijking van de naald van de ampèremeter.

Draai nu de magneet om en steek en verwijder de zuidpool van het uiteinde van de solenoïde dat verbonden is met de negatieve aansluiting van de ampèremeter. Herhaal dit experiment door de zuidpool van de magneet in de spoel te steken en vervolgens te verwijderen - eerst langzamer en vervolgens sneller dan in de eerste proef. Wanneer de noordpool dichtbij komt en de solenoïde binnengaat, induceert het een stroom die een tijdelijke positieve uitwijking van de ampèremeter veroorzaakt. Wanneer de noordpool uit de solenoïde wordt verwijderd, is de uitwijking negatief. Het omkeren van de oriëntatie van de magneet keert ook de reactie van de ampèremeter om.

Ten slotte beïnvloedt de snelheid van beweging de verandering van het magnetische veld in de tijd, wat de geïnduceerde spanning en stroom bepaalt. Langzamere beweging induceert minder stroom en een kleinere lezing, en snellere beweging induceert meer stroom en een grotere lezing.

Voor het zelfinductie-experiment, verbind een lichtbron, inductorspoel, spanningsbron ingesteld op positief één volt, schakelaar, en de analoge ampèremeter zoals getoond. Monteer het circuit met de schakelaar open zodat er geen stroom st