Elektromagnetinė indukcija - reiškinys

1. Elektromagnetinė indukcija - reiškinys Kaip žinome 1820 m. Erstedas atrado elektros srovės kuriamą magnetinį lauką. Šis efektas yra tiesioginis įrodymas, kad elektriniai ir magnetiniai reiškiniai tarpusavyje susiję. Nuo to laiko buvo ieškoma atvirkštinio reiškinio – elektros srovės atsiradimo ir priklausomybės nuo magnetinio lauko. 1837 m. M. Faradėjus atrado šią priklausomybę, vadinamą: Elektromagnetinės indukcijos reiškiniu - kai kinta laidų kontūrą veriantis magnetinis srautas, jame atsiranda elektrovaros jėga. Magnetinį srautą galima keisti įvairiais būdais – tolinant-artinant, judinant magneto lauką skersai laido, stiprinant-silpninant lauką arba sukant rėmelį magnetiniame lauke.

2. Elektromagnetinė indukcija - dėsnis Magnetinį srautą galima keisti įvairiais būdais: - tolinant-artinant, - judinant magneto lauką skersai laido, - stiprinant-silpinant lauką, - sukant rėmelį magnetiniame lauke. Svarbiausia magnetinio lauko poveikio charakteristika laidininkui yra apibūdinama: Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsniu: indukcinė elektrovaros jėga Ei (atsiradusi kertant magnetinio lauko linijoms laidininką) nepriklauso nuo magnetinio srauto kitimo priežasties, o priklauso tik nuo jo kitimo spartos. Matematiškai tai užrašoma:

3. Elektromagnetinė indukcija – elektrovaros jėgos kryptis Minuso ženklas prieš srauto kitimo spartą išreiškia elektrovaros jėgos, atsiradusios, dėl magnetinio lauko poveikio, veikimo kryptį. Tai nusakoma E. Lenco taisykle: Indukuotoji srovė teka tokia kryptimi, kad jos pačios kuriamas magnetinis laukas priešinasi tam magnetinio lauko kitimui, dėl kurio atsiranda srovė. Stiprėjant magnetinės indukcijos srautui, indukcinės srovės magnetinio lauko jėgų linijos nukreiptos priešinga išoriniam magnetiniam laukui kryptimi. Silpnėjant - atvirkščiai, nukreiptos išorinio lauko kryptimi.

4. Elektromagnetinė indukcija - indukcinės evj kilmė • Indukcinės elektrovaros jėgos kilmė aiškinama skiriant du atvejus: • Judančiame laidininke, • Nejudančiame laidininke

5. Indukcinės evj kilmė judančiame laidininke Tarkime turime ilgio l laidininką, judantį pastoviu greičiu statmenai magnetinio lauko linijoms kryptimi Ox. Laidininke esančius elektronus šiuo atveju pradės veikti Lorenco jėgos magnetinė komponentė: Ši jėga perskirstys krūvininkus taip, kad gale C atsiras jų perteklius. Dėl to tarp laido galų atsiras potencialų skirtumas j1-j2, o laidininke – E stiprumo elektrostatinis laukas: , kurio kryptis yra priešinga FLm. Nusistovėjus pusiausvyrai: Todėl: . Iš kitos pusės elektrostatinio lauko ir potencialų skirtumo ryšys: Išreiškę potencialų skirtumą: Atvirai grandinei, elektrovaros arba: jėga lygi potencialų skirtumui:

6. Indukcinės evj kilmė judančiame laidininke Kadangi potencialų skirtumas yra lygus elektrovaros jėgai, iš prieš tai gautos išraiškos: arba: Todėl indukcinės elektrovaros jėgos dydis priklauso nuo laido judėjimo greičio v, ilgio l ir magnetinės indukcijos stiprio B. Šiuo efektu yra pagrįstas elektros srovės generatoriaus veikimas. Magnetiniame lauke atitinkamu kampiniu dažniu yra sukamas rėmelis. Rėmelio, besisukančio pastoviame magnetiniame lauke indukcinė evj yra lygi:

7. Indukcinės evj kilmė nejudančiame laidininke Kaip matėme iš Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnio, elektrovaros jėga atsiranda ir nejudančiame laidininke, jeigu jį kerta kintamas magnetinis laukas. Šį reiškinį paaiškino Dž. Maksvelio sukurta elektromagnetizmo teorija, kurioje įrodoma, kad kiekvienas kintamas magnetinis laukas aplink save kuria sūkurinį elektrinį lauką. Šio elektrinio sūkurinio lauko sukimosi kryptį lemia magnetinio lauko kitimo pobūdis. T.y. priklauso ar magnetinis laukas yra stiprėjantis ar silpnėjantis.

8. Indukcinės evj kilmė nejudančiame laidininke Elektrovara lygi pašalinių jėgų darbui perkeliant teigiamą vienetinį krūvį uždara grandine: o pagal Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnį elektrovara: Vadinasi, sūkurinio elektrinio lauko stiprio cirkuliacija kontūru l lygi indukcinei elektrovarai:

9. Saviindukcijos reiškinys - induktyvumas Elektros srovė, tekėdama bet kokios formos ir dydžio uždaru kontūru, kuria magnetinį lauką. Šio lauko indukciją bet kuriame erdvės taške, kaip žinome, galime paskaičiuoti naudodami Bio ir Savaro dėsnį: , lauko srautas: , tada: , dydis, priklausantis tik nuo kontūro geometrinių matmenų ir erdvę užpildančios medžiagos savybių, vadinamas kontūroinduktyvumu L: , jei kontūro matmenys nekinta ir aplinka neferomagnetinė: Induktyvumo vienetas – henris (1H=1Wb/1A), tai induktyvumas tokio kontūro, kurį veria 1 Wb magnetinis srautas, kai juo teka 1 A nuolatinė elektros srovė. Induktyvumas yra kontūro charakteristika.

10. Saviindukcijos reiškinys Saviindukcijos reiškinys – indukuotos elektrovaros jėgos atsiradimas kontūre, kintant surištajam magnetiniam srautui, kuris kerta tą kontūrą. Pagal Faradėjaus dėsnį, saviindukcijos elektrovaros jėga: Kai L=const. Tai: Ši išraiška parodo saviindukcijos kryptį: 1. Kontūre stiprėjant elektros srovės stipriui - saviindukcijos evj: , t.y.: saviindukcijos srovė teka priešinga išorinio šaltinio kuriamai srovei kryptimi ir priešinasi jos kitimui. 2. Kontūre silpnėjant elektros srovės stipriui - saviindukcijos evj: , t.y.: saviindukcijos srovė teka išorinio šaltinio kuriamai srovei kryptimi ir taip pat priešinasi jos kitimui. Išvada: saviindukcijos srovė priešinasi srovės stiprio kitimui kontūre ir todėl lėtina kitimo spartą. Todėl, kontūro induktyvumas yra jo elektrinio inertiškumo matas.

11. Abipusės indukcijos reiškinys Abipusės indukcijos reiškinys - indukcinės elektrovaros atsiradimas laidžiame kontūre, esančiame greta kito kontūro, kuriuo tekančios kintamosios srovės sukurtas magnetinis laukas veria tą kontūrą. Kadangi kontūrai yra greta vienas kito, antrą kontūrą veriantis magnetinis srautas: Jei srautas kinta, antrame kontūre indukuojasi evj: Jei kontūrai nejuda: Jei paleistume antruoju kontūru elektros srovę, gautume atvirkštinį efektą. Elektrovaros išraiškos analogiškos. Proporcingumo koeficientai vadinami abipusius induktyvumu. Abipusės indukcijos reiškiniu pagrįstas transformatoriaus veikimas.

12. Magnetinio lauko energija Uždaroje pastovaus induktyvumo L ir ominės varžos R grandinėje, į kurią įjungtas nuolatinės elektrovaros jėgos šaltinis, įjungus elektros srovę, grandinėje atsiras saviindukcijos evj. Omo dėsnis visai grandinei užrašomas: Per laiką dt srovės šaltinis atlieka darbą: Į šia išraišką įstatome iš Omo dėsnio išreikštą elektrovaros dydį: Pirmas dėmuo reiškia Džaulio šilumą – šilumą atiduotą laidininkui. Antras dėmuo reiškia darbą, sukuriant magnetinį lauką, jis lygus energijos pokyčiui: suintegravus pagal srovės pokytį: Gauname kontūro magnetinės energijos išraišką. Taigi, sukuriant magnetinį lauką, tam tikras energijos kiekis W perkeliamas iš srovės šaltinio į elektros grandinę supančią erdvę.