Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse praktiline rakendus
Sõna "induktsioon" tähendab vene keeles ergastamise, suunamise, millegi loomise protsesse. Elektrotehnikas on seda terminit kasutatud enam kui kaks sajandit.
Pärast 1821. aasta väljaannete lugemist, mis kirjeldasid Taani teadlase Oerstedi katseid magnetnõela läbipainde kohta elektrivoolu kandva juhi lähedal, seadis Michael Faraday endale ülesande: muuta magnetism elektriks.
Pärast 10 aastat kestnud uurimistööd sõnastas ta elektromagnetilise induktsiooni põhiseaduse, selgitades, et igas suletud ahelas indutseeritakse elektromotoorjõud. Selle väärtuse määrab vaadeldavasse ahelasse tungiva magnetvoo muutumise kiirus, kuid see on võetud miinusmärgiga.
Elektromagnetlainete edastamine kaugelt
Teadlasele pähe tulnud esimest oletust praktiline edu ei krooninud.
Ta asetas kaks kinnist juhet kõrvuti.Ühe lähedale paigaldasin läbiva voolu indikaatoriks magnetnõela ja teise juhtmesse andsin impulsi tolleaegsest võimsast galvaanilisest allikast: voltpostist.
Teadlane oletas, et vooluimpulsi korral esimeses vooluringis indutseerib selles muutuv magnetväli teises juhtmes voolu, mis suunaks magnetnõela kõrvale. Kuid tulemus osutus negatiivseks - indikaator ei tööta. Pigem jäi tal puudu tundlikkusest.
Teadlase aju näeb ette elektromagnetlainete loomist ja edastamist distantsilt, mida nüüd kasutatakse raadiosaadete, televisiooni, juhtmevaba juhtimise, Wi-Fi tehnoloogiate jms seadmetes. Temale valmistas lihtsalt meelehärmi tolleaegsete mõõteseadmete ebatäiuslik elementbaas.
Elektri tootmine
Pärast halba katset muutis Michael Faraday katse tingimusi.
Faraday kasutas katse jaoks kahte suletud ahelaga mähist. Esimeses ahelas toitis ta allikast elektrivoolu ja teises jälgis EMF-i ilmumist. Mähise nr 1 pöördeid läbiv vool tekitab mähise ümber magnetvoo, tungib läbi mähise nr 2 ja moodustab selles elektromotoorjõu.
Faraday katse ajal:
- lülitage sisse impulss, et anda statsionaarsete mähistega ahelale pinge;
- kui vool rakendati, viis see ülemise mähise alumisse mähisesse;
- fikseeritud mähis nr 1 püsivalt ja sisestatud mähis nr 2 sellesse;
- muutis poolide liikumiskiirust üksteise suhtes.
Kõigil neil juhtudel täheldas ta EMF-i induktsiooni avaldumist teises mähises. Ja kui mähist nr 1 ja statsionaarseid mähiseid läbis ainult alalisvool, siis elektromotoorjõudu ei olnud.
Teadlane tegi kindlaks, et teises mähises indutseeritud EMF sõltub magnetvoo muutumise kiirusest. See on võrdeline selle suurusega.
Sama muster ilmneb täielikult suletud ahela läbimisel püsimagneti magnetvälja jõujooned. EMF-i mõjul tekib juhtmes elektrivool.
Magnetvoog vaadeldaval juhul muutub suletud ahelaga loodud ahelas Sk.
Seega võimaldas Faraday loodud arendus paigutada magnetvälja pöörleva juhtiva raami.
Siis tehti see suurel hulgal pöördlaagritesse fikseeritud pööretest, pooli otstesse paigaldati liugrõngad ja nendel libisevad harjad ning korpuse klemmide kaudu ühendati koormus. Tulemuseks on kaasaegne generaator.
Selle lihtsam disain tekib siis, kui mähis on fikseeritud statsionaarsele korpusele ja magnetsüsteem hakkab pöörlema. Sel juhul on voolude tekitamise meetod tingitud elektromagnetiline induktsioon ei ole mingil moel rikutud.
Elektrimootorite tööpõhimõte
Elektromagnetilise induktsiooni seadus, mille teerajajaks oli Michael Faraday, võimaldab erinevaid elektrimootoreid. Neil on generaatoritega sarnane struktuur: liikuv rootor ja staator, mis suhtlevad üksteisega pöörlevate elektromagnetväljade tõttu.
Elektrivool läbib ainult elektrimootori staatori mähist. See kutsub esile magnetvoo, mis mõjutab rootori magnetvälja. Selle tulemusena tekivad jõud, mis pöörlevad mootori võlli. Vaata sellel teemal — Elektrimootori tööpõhimõte ja seade
Elektrienergia muundamine
Michael Faraday tegi kindlaks indutseeritud elektromotoorjõu ja indutseeritud voolu ilmnemise lähedalasuvas mähises, kui magnetväli naabermähises muutus.
Lähedal asuvas mähises olev vool indutseeritakse, kui lülitusahel on mähises 1 sisse lülitatud, ja see on alati generaatori töötamise ajal mähises 3 olemas.
Kõigi kaasaegsete trafoseadmete töö põhineb sellel omadusel, nn vastastikusel induktsioonil.
Trafod kannavad vastastikuse induktsiooni tõttu vahelduva elektromagnetvälja energia ühelt mähiselt teisele, nii et selle sisend- ja väljundklemmides toimub muutus, pinge väärtuse teisendus.
Mähiste pöörete arvu suhe määrab teisendusteguri ja traadi paksuse, südamiku materjali ehituse ja mahu - edastatava võimsuse väärtuse, töövoolu.
Induktiivpoolide töö
Elektromagnetilise induktsiooni avaldumist täheldatakse mähises, kui selles voolava voolu väärtus muutub. Seda protsessi nimetatakse eneseinduktsiooniks.
Kui lüliti on ülaltoodud diagrammil sisse lülitatud, muudab indutseeritud vool töövoolu lineaarse suurenemise iseloomu ahelas, samuti väljalülitamise ajal.
Kui mähisesse keritud juhtmele rakendatakse mitte konstantset, vaid vahelduvpinget, siis läbib seda induktiivtakistusega vähendatud voolu väärtus.Iseinduktsiooni energia faasinihutab voolu rakendatud pinge suhtes.
Seda nähtust kasutatakse drosselite puhul, mis on ette nähtud teatud töötingimustes tekkivate suurte voolude vähendamiseks. Eelkõige kasutatakse selliseid seadmeid luminofoorlampide valgustamise ahelas.
Drosselseadme magnetahela konstruktsiooni eripäraks on plaatide väljalõige, mis luuakse õhupilu tekkimise tõttu magnetvoo magnettakistuse edasiseks suurendamiseks.
Jaotatud ja reguleeritava magnetahela asendiga drosselid kasutatakse paljudes raadio- ja elektriseadmetes. Üsna sageli võib neid leida keevitustrafode ehitamisel. Need vähendavad elektroodi läbinud elektrikaare suurust optimaalse väärtuseni.
Induktsioonahjud
Elektromagnetilise induktsiooni nähtus ei avaldu mitte ainult juhtmetes ja poolides, vaid ka mis tahes massiivsete metallesemete sees. Neis indutseeritud voolusid nimetatakse tavaliselt pöörisvooludeks.Trafode ja drosselite töö ajal põhjustavad need magnetahela ja kogu konstruktsiooni kuumenemist.
Selle nähtuse vältimiseks on südamikud valmistatud õhukestest metalllehtedest ja isoleeritud lakikihiga, mis takistab indutseeritud voolude läbimist.
Küttekonstruktsioonides pöörisvoolud ei piira, vaid loovad nende läbimiseks kõige soodsamad tingimused. Induktsioonahjud kasutatakse laialdaselt tööstuslikus tootmises kõrgete temperatuuride tekitamiseks.
Elektrotehnilised mõõteseadmed
Suur klass induktsioonseadmeid töötab jätkuvalt elektris.Pöörleva alumiiniumkettaga elektriarvestid, mis on sarnased toiterelee ehitusega, summutusvalimissüsteemid, töötavad elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel.
Gaasi magnetgeneraatorid
Kui suletud raami asemel liigub magnetväljas juhtiv gaas, vedelik või plasma, siis hakkavad elektrilaengud magnetvälja jõujoonte toimel rangelt määratletud suundades kõrvale kalduma, moodustades elektrivoolu. Selle magnetväli paigaldatud elektroodide kontaktplaatidel kutsub esile elektromotoorjõu. Selle toimel genereeritakse MHD generaatoriga ühendatud vooluringis elektrivool.
Seega avaldub elektromagnetilise induktsiooni seadus MHD generaatorites.
Pole keerulisi pöörlevaid osi nagu rootor. See lihtsustab disaini, võimaldab oluliselt tõsta töökeskkonna temperatuuri ja samal ajal elektritootmise efektiivsust. MHD generaatorid töötavad varu- või avariiallikatena, mis on võimelised lühikese aja jooksul tootma märkimisväärseid elektrivooge.
Seega on elektromagnetilise induktsiooni seadus, mida omal ajal põhjendas Michael Faraday, endiselt aktuaalne.