Inductoren en magnetische velden. Deel 2. Elektromagnetische inductie en inductie

Het eerste deel van het artikel: Inductoren en magnetische velden

De relatie tussen elektrische en magnetische velden

Elektrische en magnetische fenomenen zijn lange tijd bestudeerd, maar het is nooit bij iemand opgekomen om deze studies op de een of andere manier aan elkaar te relateren. En pas in 1820 werd ontdekt dat een stroomgeleider op de kompasnaald werkt. Deze ontdekking was van de Deense natuurkundige Hans Christian Oersted. Vervolgens werd de meeteenheid van de magnetische veldsterkte in het GHS-systeem naar hem genoemd: de Russische aanduiding E (Oersted), de Engelse aanduiding Oe. Het magnetische veld heeft een dergelijke intensiteit in een vacuüm tijdens inductie van 1 Gauss.

Deze ontdekking suggereerde dat een magnetisch veld kon worden verkregen uit een elektrische stroom. Maar tegelijkertijd ontstonden gedachten over de omgekeerde transformatie, namelijk hoe een elektrische stroom uit een magnetisch veld te krijgen. In feite zijn veel processen in de natuur omkeerbaar: ijs wordt verkregen uit water, dat weer in water kan worden gesmolten.

Na de ontdekking van Oersted duurde de studie van deze nu voor de hand liggende natuurkundewet tweeëntwintig jaar. De Engelse wetenschapper Michael Faraday was bezig met het verkrijgen van elektriciteit uit een magnetisch veld. Geleiders en magneten in verschillende vormen en maten werden gemaakt en er werd gezocht naar opties voor hun onderlinge rangschikking. En alleen, blijkbaar, bij toeval, ontdekte de wetenschapper dat om EMF aan de uiteinden van de geleider te verkrijgen, nog een term nodig is - de beweging van de magneet, d.w.z. het magnetische veld moet variabel zijn.

Nu verbaast dit niemand. Dit is hoe alle elektrische generatoren werken - zolang het met iets wordt geroteerd, wordt elektriciteit gegenereerd, een gloeilamp schijnt. Stopte, stopte met draaien en het licht ging uit.

Elektromagnetische inductie

De EMF aan de uiteinden van de geleider vindt dus alleen plaats als deze op een bepaalde manier in een magnetisch veld wordt verplaatst. Of, meer precies, het magnetische veld moet noodzakelijkerwijs veranderen, variabel zijn. Dit fenomeen wordt elektromagnetische inductie genoemd, in Russische elektromagnetische begeleiding: in dit geval zeggen ze dat EMF in de geleider wordt geïnduceerd. Als een belasting op een dergelijke EMF-bron is aangesloten, stroomt er een stroom in het circuit.

De grootte van de geïnduceerde EMF is afhankelijk van verschillende factoren: de lengte van de geleider, de inductie van het magnetische veld B en in grote mate van de bewegingssnelheid van de geleider in het magnetische veld. Hoe sneller de generatorrotor wordt gedraaid, hoe hoger de spanning aan de uitgang.

Opmerking: elektromagnetische inductie (het verschijnsel van het optreden van een EMF aan de uiteinden van een geleider in een wisselend magnetisch veld) moet niet worden verward met magnetische inductie - een fysieke vectorgrootheid die het feitelijke magnetische veld kenmerkt.

Drie manieren om EMF te krijgen

inductie

Deze methode is overwogen. in het eerste deel van het artikel. Het is voldoende om de geleider in het magnetische veld van de permanente magneet te verplaatsen, of omgekeerd om (bijna altijd door rotatie) de magneet in de buurt van de geleider te verplaatsen. Met beide opties krijgt u absoluut een wisselend magnetisch veld. In dit geval wordt de methode voor het verkrijgen van EMF inductie genoemd. Het is inductie die wordt gebruikt om EMF in verschillende generatoren te verkrijgen. In de experimenten van Faraday in 1831 bewoog de magneet geleidelijk in de draadspiraal.

Wederzijdse inductie

Deze naam suggereert dat twee geleiders deelnemen aan dit fenomeen. In een van hen stroomt een veranderende stroom, die er een wisselend magnetisch veld omheen creëert. Als er een andere geleider in de buurt is, is er aan zijn uiteinden een variabele EMF.

Deze methode om EMF te verkrijgen wordt wederzijdse inductie genoemd.Het is op het principe van wederzijdse inductie dat alle transformatoren werken, alleen hun geleiders worden gemaakt in de vorm van spoelen en kernen gemaakt van ferromagnetische materialen worden gebruikt om magnetische inductie te verbeteren.

Als de stroom in de eerste geleider stopt (open circuit), of zelfs erg sterk wordt, maar constant (er zijn geen veranderingen), kan aan de uiteinden van de tweede geleider geen EMF worden verkregen. Daarom werken transformatoren alleen op wisselstroom: als een galvanische batterij is aangesloten op de primaire wikkeling, is er zeker geen spanning aan de uitgang van de secundaire wikkeling.

EMV in de secundaire wikkeling wordt alleen geïnduceerd wanneer het magnetische veld verandert. Bovendien, hoe sterker de snelheid van verandering, namelijk de snelheid, en niet de absolute waarde, hoe groter de geïnduceerde EMV.

Zelfinductie

Als u de tweede geleider verwijdert, doordringt het magnetische veld in de eerste geleider niet alleen de omliggende ruimte, maar ook de geleider zelf. Dus onder invloed van zijn veld in de geleider geïnduceerde EMF, die de EMF van zelfinductie wordt genoemd.

De fenomenen van zelfinductie in 1833 werden bestudeerd door de Russische wetenschapper Lenz. Op basis van deze experimenten werd een interessant patroon gevonden: de EMF van zelfinductie werkt altijd tegen, compenseert het externe alternerende magnetische veld dat deze EMF veroorzaakt. Deze afhankelijkheid wordt de Lenz-regel genoemd (niet te verwarren met de Joule-Lenz-wet).

Het minteken in de formule spreekt alleen van het tegengaan van de EMV van zelfinductie door zijn oorzaken. Als de spoel is aangesloten op een gelijkstroombron, zal de stroom vrij langzaam toenemen. Dit is zeer merkbaar wanneer de primaire wikkeling van de transformator wordt "gekozen" met een wijzer-ohmmeter: de snelheid van de pijl in de richting van de nulschaalverdeling is aanzienlijk lager dan bij het controleren van weerstanden.

Wanneer de spoel wordt losgekoppeld van de stroombron, veroorzaakt de zelfinductie-EMF vonken van de relaiscontacten. In het geval dat de spoel wordt bestuurd door een transistor, bijvoorbeeld een relaisspoel, wordt een diode parallel daaraan geplaatst in de tegenovergestelde richting ten opzichte van de stroombron. Dit wordt gedaan om de halfgeleiderelementen te beschermen tegen de invloed van EMF-zelfinductie, die tientallen of zelfs honderden keren hoger kan zijn dan de spanning van de stroombron.

Voor het uitvoeren van experimenten construeerde Lenz een interessant apparaat. Twee aluminium ringen zijn bevestigd aan de uiteinden van de aluminium tuimelaar. Eén ring is massief en de andere is gesneden. De tuimelaar draait vrij op de naald.

Toen een permanente magneet in een continue ring werd geïntroduceerd, "ontsnapte" het uit de magneet, en toen de magneet werd verwijderd, zocht het ernaar. Dezelfde acties met de snijring veroorzaakten geen bewegingen. Dit komt door het feit dat in een continue ring onder invloed van een wisselend magnetisch veld een stroom ontstaat die een magnetisch veld creëert. Maar in de open ring is er geen stroom, daarom is er ook geen magnetisch veld.

Een belangrijk detail van dit experiment is dat als een magneet in de ring wordt ingebracht en stationair blijft, er geen reactie van de aluminiumring op de aanwezigheid van de magneet wordt waargenomen. Dit bevestigt nogmaals dat de inductie-EMV alleen optreedt in geval van een verandering in het magnetische veld en dat de grootte van de EMF afhankelijk is van de mate van verandering. In dit geval gewoon door de bewegingssnelheid van de magneet.

Hetzelfde kan gezegd worden over wederzijdse inductie en zelfinductie, alleen een verandering in de sterkte van het magnetische veld, meer bepaald, de snelheid van verandering hangt af van de snelheid van verandering van stroom. Om dit fenomeen te illustreren, kunnen we een voorbeeld geven.

Laat grote stromen door twee voldoende grote identieke spoelen gaan: door de eerste spoel 10A, en door de tweede maar liefst 1000, waarbij de stromen lineair toenemen in beide spoelen. Stel dat in één seconde de stroom in de eerste spoel veranderde van 10 naar 15A en in de tweede van 1000 naar 1001A, wat het verschijnen van zelfinductie EMF in beide spoelen veroorzaakte.

Maar ondanks zo'n enorme waarde van de stroom in de tweede spoel, zal de zelfinductie-EMF in de eerste groter zijn, omdat daar de huidige veranderingssnelheid 5A / s is en in de tweede slechts 1A / s. De EMV van zelfinductie is inderdaad afhankelijk van de snelheid waarmee de stroom toeneemt (lees het magnetische veld) en niet van de absolute waarde.

inductie

De magnetische eigenschappen van de spoel met stroom hangen af ​​van het aantal windingen, geometrische afmetingen. Een significante toename van het magnetische veld kan worden bereikt door een ferromagnetische kern in de spoel te brengen. De magnetische eigenschappen van de spoel kunnen met voldoende nauwkeurigheid worden beoordeeld aan de hand van de grootte van de EMF van inductie, wederzijdse inductie of zelfinductie. Al deze fenomenen werden hierboven overwogen.

De karakteristiek van de spoel, die hierover spreekt, wordt de inductiecoëfficiënt (zelfinductie) of gewoon inductie genoemd. In formules wordt de inductie aangeduid met de letter L en in de diagrammen geeft dezelfde letter de inductantiespoelen aan.

De eenheid van inductie is Henry (GN). Inductantie 1H heeft een spoel waarin, wanneer de stroom met 1A per seconde verandert, een EMF van 1V wordt gegenereerd. Deze waarde is vrij groot: netwerkwikkelingen van voldoende krachtige transformatoren hebben een inductie van een of meer GN.

Daarom gebruiken ze vaak waarden van een kleinere orde, namelijk milli en micro-henry (mH en μH). Dergelijke spoelen worden gebruikt in elektronische schakelingen. Een van de toepassingen van spoelen is oscillerende circuits in radioapparatuur.

Spoelen worden ook gebruikt als smoorspoelen, waarvan het belangrijkste doel is om gelijkstroom zonder verlies over te slaan terwijl de wisselstroom wordt verzwakt (filters in voedingen). In het algemeen geldt dat hoe hoger de werkfrequentie, hoe minder inductiespoelen nodig zijn.

inductieve reactantie

Als u een voldoende krachtige netwerktransformator gebruikt en meten met een multimeter weerstand van de primaire wikkeling, blijkt dat het slechts een paar ohm is, en zelfs bijna nul. Het blijkt dat de stroom door zo'n wikkeling erg groot zal zijn en zelfs de neiging heeft tot in het oneindige. Een kortsluiting lijkt onvermijdelijk! Dus waarom is hij niet?

Een van de belangrijkste eigenschappen van inductoren is inductieve weerstand, die afhangt van de inductie en van de frequentie van de wisselstroom die op de spoel is aangesloten.

Het is gemakkelijk te zien dat bij een toename van de frequentie en inductie de inductieve weerstand toeneemt en in gelijkstroom over het algemeen gelijk wordt aan nul. Daarom wordt bij het meten van de weerstand van spoelen met een multimeter alleen de actieve weerstand van de draad gemeten.

Het ontwerp van de smoorspoelen is zeer divers en hangt af van de frequenties waarop de spoel werkt. Voor werk in het decimeterbereik van radiogolven worden bijvoorbeeld spoelen gemaakt door bedrukte bedrading vaak gebruikt. Bij massaproductie is deze methode erg handig.

De inductie van een spoel hangt af van de geometrische afmetingen, kern, aantal lagen en vorm. Momenteel wordt een voldoende aantal standaardinductoren geproduceerd, vergelijkbaar met conventionele weerstanden met leidingen. Het merken van dergelijke spoelen wordt uitgevoerd met gekleurde ringen. Er zijn ook opbouwspoelen die als smoorspoelen worden gebruikt. De inductie van dergelijke spoelen is verschillende milligenes.