Fenomenul inducției electromagnetice este un fenomen care constă în apariția unei forțe sau a unei tensiuni electromotoare într-un corp situat într-un câmp magnetic aflat în continuă schimbare. O forță electromotoare ca urmare a inducției electromagnetice apare și dacă un corp se mișcă într-un câmp magnetic static și neuniform sau se rotește într-un câmp magnetic, astfel încât liniile sale care intersectează o buclă închisă se schimbă.
Curentul electric indus
Sub conceptul de „inducție” se înțelege apariția unui proces ca urmare a impactului altui proces. De exemplu, un curent electric poate fi indus, adică poate apărea ca urmare a expunerii unui conductor la un câmp magnetic într-un mod special. Un astfel de curent electric se numește indus. Condițiile pentru formarea unui curent electric ca urmare a fenomenului de inducție electromagnetică sunt discutate mai târziu în articol.
Conceptul de câmp magnetic
ÎnaintePentru a începe studiul fenomenului de inducție electromagnetică, este necesar să înțelegem ce este un câmp magnetic. În termeni simpli, un câmp magnetic este o regiune a spațiului în care un material magnetic își prezintă efectele și proprietățile magnetice. Această regiune a spațiului poate fi descrisă folosind linii numite linii de câmp magnetic. Numărul acestor linii reprezintă o mărime fizică numită flux magnetic. Liniile de câmp magnetic sunt închise, încep de la polul nord al magnetului și se termină la sud.
Câmpul magnetic are capacitatea de a acționa asupra oricăror materiale cu proprietăți magnetice, cum ar fi conductorii de fier ai curentului electric. Acest câmp este caracterizat de inducție magnetică, care se notează cu B și se măsoară în tesla (T). O inducție magnetică de 1 T este un câmp magnetic foarte puternic care acționează cu o forță de 1 newton pe o sarcină punctiformă de 1 coulomb, care zboară perpendicular pe liniile câmpului magnetic cu o viteză de 1 m/s, adică 1 T=1 Ns / (mCl).
Cine a descoperit fenomenul inducției electromagnetice?
Inducția electromagnetică, pe principiul căreia se bazează multe dispozitive moderne, a fost descoperită la începutul anilor 30 ai secolului XIX. Descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică este de obicei atribuită lui Michael Faraday (data descoperirii - 29 august 1831). Omul de știință s-a bazat pe rezultatele experimentelor fizicianului și chimistului danez Hans Oersted, care a descoperit că un conductor prin care trece un curent electric creeazăun câmp magnetic în jurul său, adică începe să prezinte proprietăți magnetice.
Faraday, la rândul său, a descoperit opusul fenomenului descoperit de Oersted. El a observat că un câmp magnetic în schimbare, care poate fi creat prin modificarea parametrilor curentului electric din conductor, duce la apariția unei diferențe de potențial la capetele oricărui conductor de curent. Dacă aceste capete sunt conectate, de exemplu, printr-o lampă electrică, atunci un curent electric va circula printr-un astfel de circuit.
Ca urmare, Faraday a descoperit un proces fizic, în urma căruia într-un conductor apare un curent electric din cauza unei modificări a câmpului magnetic, care este fenomenul inducției electromagnetice. În același timp, pentru formarea unui curent indus, nu contează ce se mișcă: câmpul magnetic sau conductorul însuși. Acest lucru poate fi demonstrat cu ușurință prin efectuarea unui experiment adecvat asupra fenomenului de inducție electromagnetică. Deci, după ce am plasat magnetul în interiorul spiralei metalice, începem să-l mișcăm. Dacă conectați capetele spiralei printr-un indicator de curent electric într-un circuit, puteți vedea apariția curentului. Acum ar trebui să lăsați magnetul în pace și să mutați spirala în sus și în jos în raport cu magnetul. Indicatorul va arăta și existența curentului în circuit.
Experiment Faraday
Experimentele lui Faraday au constat în lucrul cu un conductor și un magnet permanent. Michael Faraday a descoperit pentru prima dată că atunci când un conductor se mișcă în interiorul unui câmp magnetic, la capetele acestuia apare o diferență de potențial. Conductorul în mișcare începe să traverseze liniile câmpului magnetic, ceea ce simuleazăefectul modificării acestui câmp.
Omul de știință a descoperit că semnele pozitive și negative ale diferenței de potențial rezultată depind de direcția în care se mișcă conductorul. De exemplu, dacă conductorul este ridicat într-un câmp magnetic, atunci diferența de potențial rezultată va avea o polaritate +-, dar dacă acest conductor este coborât, atunci vom obține deja o polaritate -+. Aceste modificări ale semnului potențialelor, a căror diferență se numește forță electromotoare (EMF), duc la apariția într-un circuit închis a unui curent alternativ, adică a unui curent care își schimbă constant direcția spre opus.
Caracteristici ale inducției electromagnetice descoperite de Faraday
Știind cine a descoperit fenomenul inducției electromagnetice și de ce există un curent indus, vom explica câteva dintre caracteristicile acestui fenomen. Deci, cu cât mișcați mai repede conductorul într-un câmp magnetic, cu atât va fi mai mare valoarea curentului indus în circuit. O altă caracteristică a fenomenului este următoarea: cu cât este mai mare inducția magnetică a câmpului, adică cu cât acest câmp este mai puternic, cu atât este mai mare diferența de potențial pe care o poate crea la deplasarea conductorului în câmp. Dacă conductorul este în repaus într-un câmp magnetic, nu apare nicio CEM în el, deoarece nu există nicio modificare a liniilor de inducție magnetică care traversează conductorul.
Direcția curentului electric și regula pentru mâna stângă
Pentru a determina direcția în conductorul curentului electric creat ca urmare a fenomenului de inducție electromagnetică, putețiutilizați așa-numita regulă a mâinii stângi. Poate fi formulat astfel: dacă mâna stângă este plasată astfel încât liniile de inducție magnetică, care încep de la polul nord al magnetului, să intre în palmă, iar degetul mare proeminent să fie îndreptat în direcția de mișcare a conductorului în câmpul magnetului, apoi cele patru degete rămase ale mâinii stângi vor indica direcția de mișcare a curentului indus în conductor.
Există o altă versiune a acestei reguli, aceasta este următoarea: dacă degetul arătător al mâinii stângi este îndreptat de-a lungul liniilor de inducție magnetică, iar degetul mare proeminent este îndreptat în direcția conductorului, atunci degetul mijlociu rotit cu 90 de grade față de palmă va indica direcția curentului apărut în conductor.
Fenomenul auto-inducției
Hans Christian Oersted a descoperit existența unui câmp magnetic în jurul unui conductor sau bobină cu curent. Omul de știință a mai descoperit că caracteristicile acestui câmp sunt direct legate de puterea curentului și de direcția acestuia. Dacă curentul din bobină sau conductor este variabil, atunci va genera un câmp magnetic care nu va fi staționar, adică se va schimba. La rândul său, acest câmp alternant va duce la apariția unui curent indus (fenomenul inducției electromagnetice). Mișcarea curentului de inducție va fi întotdeauna opusă curentului alternativ care circulă prin conductor, adică va rezista fiecărei schimbări a direcției curentului din conductor sau bobină. Acest proces se numește auto-inducție. Diferența electrică rezultatăpotențialele se numește EMF de auto-inducție.
Rețineți că fenomenul de autoinducție are loc nu numai atunci când direcția curentului se schimbă, ci și atunci când acesta se schimbă, de exemplu, la creșterea datorită scăderii rezistenței în circuit.
Pentru descrierea fizică a rezistenței exercitate de orice modificare a curentului dintr-un circuit datorată autoinducției, a fost introdus conceptul de inductanță, care se măsoară în henries (în cinstea fizicianului american Joseph Henry). Un henry este o astfel de inductanță pentru care, atunci când curentul se modifică cu 1 amper într-o secundă, apare un EMF în procesul de auto-inducție, egal cu 1 volt.
Curentul alternativ
Când un inductor începe să se rotească într-un câmp magnetic, ca urmare a fenomenului de inducție electromagnetică, creează un curent indus. Acest curent electric este variabil, ceea ce înseamnă că își schimbă direcția în mod sistematic.
Curentul alternativ este mai frecvent decât curentul continuu. Deci, multe dispozitive care funcționează din rețeaua electrică centrală folosesc acest tip de curent. Curentul alternativ este mai ușor de indus și transportat decât curentul continuu. De regulă, frecvența curentului alternativ de uz casnic este de 50-60 Hz, adică în 1 secundă direcția acestuia se schimbă de 50-60 de ori.
Reprezentarea geometrică a curentului alternativ este o curbă sinusoidală care descrie dependența tensiunii de timp. Perioada completă a curbei sinusoidale pentru curentul de uz casnic este de aproximativ 20 de milisecunde. În funcție de efectul termic, curentul alternativ este similar cu curentulDC, a cărui tensiune este Umax/√2, unde Umax este tensiunea maximă pe curba sinusoidală AC.
Utilizarea inducției electromagnetice în tehnologie
Descoperirea fenomenului de inducție electromagnetică a produs un adevărat boom în dezvoltarea tehnologiei. Înainte de această descoperire, oamenii erau capabili să genereze electricitate doar în cantități limitate folosind baterii electrice.
În prezent, acest fenomen fizic este utilizat în transformatoarele electrice, în încălzitoarele care convertesc curentul indus în căldură și în motoarele electrice și generatoarele auto.
