Indukcyjność

Cewki indukcyjne - zwykle w postaci cewek - są powszechnie używane w wielu zastosowaniach obwodów. Ich celem jest magazynowanie energii magnetycznej, gdy płynie prąd w stanie ustalonym.

W pętli, która tworzy obwód zamknięty, zmieniające się pole magnetyczne indukuje siłę elektromotoryczną, która napędza prąd. Zjawisko to nazywa się indukcją elektromagnetyczną. Cewka indukcyjna to po prostu cewka z drutu i ma właściwość indukcyjności własnej, która wiąże napięcie na jego zaciskach ze zmianą własnego pola magnetycznego.

Ten film zilustruje koncepcje związane z indukcyjnością, a następnie zademonstruje eksperyment indukcyjny z wykorzystaniem magnesu sztabkowego i cewki. Na koniec dokonamy przeglądu niektórych z obecnych zastosowań cewek indukcyjnych.

Strumień magnetyczny może być traktowany jako ilość pola magnetycznego przechodzącego przez obszar. Dla jednorodnego pola magnetycznego B prostopadłego do obszaru A, strumień magnetyczny phi jest po prostu iloczynem tych dwóch. Zgodnie z prawem indukcji Faradaya, zmieniający się strumień magnetyczny w pętli drutu generuje siłę elektromotoryczną lub EMF wzdłuż pętli. To pole elektromagnetyczne jest równe ujemnemu wynikowi szybkości zmian strumienia magnetycznego w czasie.

Szybkość zmian strumienia magnetycznego określa biegunowość indukowanej siły elektromotorycznej. Znak ujemny w wyrażeniu prawa Faradaya oznacza, że jeśli pole magnetyczne maleje z czasem, pole elektromagnetyczne jest dodatnie. Jeśli wzrasta z czasem, pole elektromagnetyczne jest ujemne. Gdy pętla jest obwodem zamkniętym, indukowane pole elektromagnetyczne napędza prąd, który z kolei generuje własne pole magnetyczne. To pole magnetyczne ma orientację określoną przez regułę prawej ręki. Gdyby palce prawej ręki zawijały się wokół kierunku prądu w pętli, wówczas kciuk prawej ręki wskazywałby kierunek generowanego pola magnetycznego. Indukowany prąd musi płynąć w kierunku, który wytwarza pole magnetyczne przeciwne do szybkości zmian zewnętrznego pola magnetycznego.

Dla przykładu, pole magnetyczne od tego magnesu skierowane jest w górę przez pojedynczą pętlę drutu. Odsunięcie magnesu od pętli zmniejsza natężenie pola magnetycznego przez pętlę. Zmiana strumienia magnetycznego - reprezentowana przez wektor skierowany w dół - indukuje dodatnie pole elektromagnetyczne, które napędza prąd w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, jak pokazano. Zgodnie z regułą prawej ręki prąd wytwarza pole magnetyczne, które jest skierowane w górę pętli, aby przeciwstawić się malejącemu polu magnetycznemu lub strumieniowi. Natomiast przesunięcie magnesu w kierunku pętli zwiększa tam pole magnetyczne. Zmiana strumienia magnetycznego jest reprezentowana przez wektor skierowany w górę. W tym przypadku indukuje ujemne pole elektromagnetyczne, które napędza prąd zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Zgodnie z regułą prawej ręki prąd w tym kierunku tworzy pole magnetyczne, które jest skierowane w dół pętli, aby przeciwstawić się rosnącemu polu magnetycznemu lub strumieniowi.

Przejdźmy teraz od pętli do elektrozaworu, który jest po prostu wieloma pętlami drutu nawiniętymi wokół rdzenia z powietrza lub materiału magnetycznego. Jest to powszechnie stosowana cewka indukcyjna w obwodach elektrycznych. Jeśli prąd przepływa przez elektrozawór, wytwarza pole magnetyczne w cewce indukcyjnej. Kierunek tego pola magnetycznego jest określony przez regułę prawej ręki. Pole to z kolei wytwarza strumień magnetyczny w tym samym kierunku co pole, a wielkość tego strumienia jest proporcjonalna do prądu. Dlatego, jeśli prąd zmienia się w czasie, to samo dzieje się ze strumieniem magnetycznym. Zgodnie z prawem Faradaya, zmieniający się strumień indukuje napięcie, które przepuszcza prąd przez cewkę w taki sposób, że pole magnetyczne indukowanego prądu przeciwstawia się zmianie pierwotnego strumienia. To zjawisko indukcji napięcia na własnych zaciskach w odpowiedzi na zmienny prąd nazywa się indukcją samoczynną, a całkowite napięcie indukowane na elektrozaworze to liczba zwojów N, pomnożona przez pole elektromagnetyczne pojedynczej pętli.

Teraz, gdy wyjaśniliśmy podstawy, zobaczmy, jak badać indukcję elektromagnetyczną w laboratorium fizycznym.

We wszystkich poniższych eksperymentach wykorzystuje się analogowy amperomierz bipolarny, który ma igłę, która odchyla się w prawo lub w lewo od punktu zerowego, w zależności od kierunku przepływu prądu.

Najpierw zaopatrz się w solenoid z pustym rdzeniem, magnes prętowy z wyraźnie oznaczonymi biegunami północnym i południowym oraz analogowy amperomierz bipolarny. Następnie podłącz elektrozawór do amperomierza. W pierwszej próbie włóż północny biegun magnesu do końca elektrozaworu podłączonego do ujemnego zacisku amperomierza. Obserwuj amperomierz i zapisz biegunowość oraz przybliżoną wielkość ugięcia igły. Wyciągnij magnes z elektrozaworu i zapisz biegunowość oraz przybliżoną wielkość ugięcia igły amperomierza.

Teraz obróć magnes i włóż i wyjmij biegun południowy z końca elektrozaworu podłączonego do ujemnego zacisku amperomierza. Powtórz ten eksperyment, wkładając południowy biegun magnesu do cewki, a następnie wyjmując go - najpierw wolniej, a następnie szybciej niż w pierwszej próbie. Kiedy biegun północny zbliża się i wchodzi w elektrozawór, indukuje prąd, który powoduje chwilowe dodatnie odchylenie amperomierza. Po usunięciu bieguna północnego z elektrozaworu ugięcie jest ujemne. Odwrócenie orientacji magnesu powoduje również odwrócenie odpowiedzi amperomierza.

Wreszcie prędkość ruchu wpływa na zmianę pola magnetycznego w czasie, które determinuje indukowane napięcie i prąd. Wolniejszy ruch indukuje mniejszy prąd i mniejszy odczyt, a szybszy ruch indukuje większy prąd i większy odczyt.

W eksperymencie z indukcyjnością własną podłącz żarówkę, cewkę indukcyjną, napięcie zasilania ustawione na dodatni jeden wolt, przełącznik i amperomierz analogowy, jak pokazano. Zamontuj obwód z otwartym przełącznikiem, aby nie płynął prąd.

Zamknij przełącznik, aby podłączyć źródło napięcia zarówno do żarówki, jak i cewki indukcyjnej. Obserwuj żarówkę, która wydaje się być słabo oświetlona. Otwórz przełącznik, aby odłączyć napięcie zasilania od obwodu. Obserwuj żarówkę i amperomierz w momencie otwarcia przełącznika, a następnie zapisz wynik. Żarówka na chwilę się rozjaśnia, a amperomierz pokazuje jednocześnie dodatni odczyt. Dzieje się tak z powodu samoindukcji i w tym krótkim czasie ma miejsce kilka zdarzeń.

Początkowo, gdy przełącznik jest zamknięty, prąd przepływa zarówno przez cewkę, jak i żarówkę, ale przez cewkę przepływa znacznie więcej prądu w porównaniu z żarówką, ponieważ cewka ma niższą rezystancję w porównaniu z żarówką. Otwarcie przełącznika powoduje odłączenie źródła napięcia. Powoduje to zmniejszenie prądu płynącego przez cewkę indukcyjną.

Ten zmieniający się prąd przepływający przez cewkę indukcyjną powoduje zmianę jej strumienia magnetycznego, który z kolei indukuje prąd przejściowy, który przeciwstawia się spadkowi, płynąc w tym samym kierunku co prąd pierwotny. Połączenie tych dwóch prądów - prądu pierwotnego i przejściowego - daje całkowity prąd cewki indukcyjnej, który teraz przepływa przez żarówkę i zapala ją na krótko, a jednocześnie powoduje odchylenie amperomierza, aby wskazać prąd dodatni.

Indukcja elektromagnetyczna ma wiele zastosowań w nowoczesnych urządzeniach i jest podstawową metodą przekazywania energii i informacji bez kontaktu fizycznego.

Indukcja jest podstawową zasadą działania urządzeń zwanych transformatorami. Transformator ma parę zacisków wejściowych połączonych z uzwojeniem pierwotnym lub cewką oraz parę zacisków wyjściowych połączonych z uzwojeniem wtórnym. Rdzeń składający się ze stali, ferrytu lub nawet po prostu powietrza, magnetycznie sprzęga dwa uzwojenia. Napięcie na jednym uzwojeniu powoduje przepływ przez nie prądu, tworząc pole magnetyczne. Strumień magnetyczny, czyli gęstość pola magnetycznego, jest następnie sprzężony z uzwojeniem wtórnym przez rdzeń, gdzie indukuje napięcie. Zasada ta nazywa się wzajemną indukcją.

Innym zastosowaniem cewek indukcyjnych są silniki indukcyjne prądu przemiennego, które są końmi roboczymi współczesnego przemysłu ze względu na swoją prostotę, wytrzymałość i niezawodność. Silnik indukcyjny składa się tylko z dwóch głównych części. Pierwszą z nich jest część nieruchoma, zwana stojanem, która składa się ze stacjonarnych cewek wokół wnęki. We wnęce zawieszony jest wirnik, który jest parą pierścieni końcowych zamykających cylindryczny układ prętów. Trójfazowy silnik indukcyjny prądu przemiennego wykorzystuje energię trójfazową, przy czym każda faza jest podłączona do własnego, oddzielnego zestawu cewek stojana. Cewki są ułożone we wzór, który generuje jedno pole magnetyczne dla każdej fazy dostarczanej mocy. Wynikowe pole magnetyczne netto, zwane "polem magnetycznym stojana" obraca się ze stałą prędkością.

Wirujący strumień magnetyczny indukuje prąd w wirniku, podobnie jak transformator przenosi moc z cewki pierwotnej do wtórnej. Prąd płynący przez pręty wirnika z kolei wytwarza własne pole magnetyczne, zwane "indukowanym polem magnetycznym wirnika". Oddziaływanie między tymi dwoma polami wytwarza siłę na wirnik, która powoduje, że podąża on za polem magnetycznym stojana, jak żelazny pręt podążający za otaczającymi go magnesami.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do indukcyjności elektromagnetycznej. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób zmienne w czasie pole magnetyczne indukuje siłę elektromotoryczną w przewodniku i jak powstały prąd wytwarza własne pole magnetyczne. Dzięki za oglądanie!