Fenomenul de inducție a curentului electromagnetic: esența, cine a descoperit
Cuvântul „inducție” în rusă înseamnă procesele de excitare, ghidare, creare a ceva. În inginerie electrică, acest termen a fost folosit de mai bine de două secole.
După ce s-a familiarizat cu publicațiile din 1821, a descris experimentele omului de știință danez Oersted privind abaterile acului magnetic din apropierea conductorului cu soc electric, Michael Faraday și-a propus sarcina de a: transformă magnetismul în electricitate.
După 10 ani de cercetări, a formulat legea de bază inductie electromagnetica, explicând că în interiorul oricărui circuit închis este indusă o forță electromotoare. Valoarea sa este determinată de rata de schimbare flux magnetic pătrunzând în conturul luat în considerare, dar luat cu semnul minus.
Difuzare undele electromagnetice de la distanță
Prima presupunere care a apărut în creierul unui om de știință nu a fost încununată cu succes practic.
A pus doi conductori închisi unul lângă altul. Lângă unul am instalat un ac magnetic ca indicator al curentului care trece, iar în celălalt fir am aplicat un impuls de la o sursă galvanică puternică a acelui timp: o coloană de volți.
Cercetătorul a presupus că, cu un impuls de curent în primul circuit, câmpul magnetic în schimbare din acesta ar induce un curent în al doilea conductor, care ar devia acul magnetic. Dar, rezultatul a fost negativ - indicatorul nu a funcționat. Sau, mai degrabă, îi lipsea sensibilitatea.
Creierul omului de știință a prevăzut crearea și transmiterea undelor electromagnetice la distanță, care sunt acum utilizate în emisiunile radio, televiziune, controlul fără fir, tehnologiile Wi-Fi și dispozitive similare. El a fost pur și simplu dezamăgit de elementul de bază imperfect al aparatelor de măsurare din acea vreme.
Generarea de energie electrică
După un experiment nereușit, Michael Faraday a modificat condițiile experimentului.
Pentru experiment, Faraday a folosit două bobine cu circuite închise. În primul circuit, el a furnizat un curent electric dintr-o sursă, iar în al doilea a observat apariția unui EMF. Curentul care trece prin spirele înfășurării nr. 1 a creat un flux magnetic în jurul bobinei, pătrunzând în înfășurarea nr. 2 și formând în ea o forță electromotoare.
În timpul experimentului lui Faraday:
- a pornit alimentarea cu impulsuri de tensiune a circuitului cu bobine staționare;
- la aplicarea curentului, l-a injectat pe cel de sus în bobina inferioară;
- a fixat permanent înfășurarea nr. 1 și a introdus înfășurarea nr. 2 în el;
- modificarea vitezei de mișcare a bobinelor una față de alta.
În toate aceste cazuri, a observat manifestarea emf de inducție în a doua bobină. Și numai la trecere curent continuu nu a existat o forță electromotoare pe înfășurarea nr. 1 și pe bobinele fixe.
Omul de știință a stabilit că EMF indus în a doua bobină depinde de viteza cu care se modifică fluxul magnetic. Este proporțional cu dimensiunea sa.
Același model se manifestă pe deplin atunci când trece o buclă închisă.Sub acțiunea EMF, se formează un curent electric în fir.
Fluxul magnetic în cazul în cauză se modifică în circuitul Sk creat de un circuit închis.
În acest fel, dezvoltarea creată de Faraday a făcut posibilă plasarea unui cadru conductor rotativ într-un câmp magnetic.
Era apoi realizat dintr-un număr mare de spire, fixate în rulmenți de rotație. La capetele înfășurării, au fost montate inele de alunecare și perii care alunecau de-a lungul lor și o sarcină a fost conectată prin cablurile de pe carcasă. Rezultatul a fost un alternator modern.
S-a terminat design simplu a fost creat atunci când înfășurarea a fost fixată pe o carcasă staționară, iar sistemul magnetic a început să se rotească. În acest caz, metoda de generare a curenților pe cheltuială nu a fost încălcată în niciun fel.
Principiul de funcționare a motoarelor electrice
Legea inducției electromagnetice, care a fost fundamentată de Michael Faraday, a făcut posibilă crearea diverse modele motoare electrice. Au un dispozitiv similar cu generatoare: un rotor mobil și un stator, care interacționează între ele datorită câmpurilor electromagnetice rotative.
Transformarea energiei electrice
Michael Faraday a determinat apariția unei forțe electromotoare induse și a unui curent de inducție într-o înfășurare din apropiere la schimbare camp magneticîn bobina adiacentă.
Curentul din interiorul înfășurării din apropiere este indus prin comutarea circuitului comutatorului din bobina 1 și este întotdeauna prezent în timpul funcționării generatorului pe înfășurarea 3.
Pe această proprietate, numită inducție reciprocă, se bazează funcționarea tuturor dispozitivelor moderne de transformare.
Pentru a îmbunătăți trecerea fluxului magnetic, au înfășurări izolate puse pe un miez comun, care are o rezistență magnetică minimă. Este realizat din clase speciale de oțel și format în compoziție foi subțiri sub formă de secțiuni de o anumită formă, numite circuit magnetic.
Transformatoarele transmit energie alternativă prin inducție reciprocă. câmp electromagnetic de la o înfășurare la alta, astfel încât în acest caz să existe o schimbare, o transformare a mărimii tensiunii la bornele sale de intrare și ieșire.
Raportul dintre numărul de spire în înfășurări determină raportul de transformare, și grosimea firului, designul și volumul materialului miezului - cantitatea de putere transmisă, curentul de funcționare.
Lucrul inductorilor
Manifestarea inducției electromagnetice este observată în bobină în timpul unei modificări a mărimii curentului care curge în ea. Acest proces se numește auto-inducție.
Când întrerupătorul este pornit în diagrama de mai sus curent de inducție modifică natura creșterii rectilinie a curentului de funcționare în circuit, precum și în timpul unei deplasări.
Când o tensiune alternativă, nu o tensiune constantă, este aplicată unui conductor înfășurat într-o bobină, valoarea curentului redusă de rezistența inductivă curge prin aceasta. Energia auto-inducției schimbă faza curentului în raport cu tensiunea aplicată.
Acest fenomen este utilizat în șocuri, care sunt concepute pentru a reduce curenții mari care apar atunci când anumite condiții funcţionarea echipamentului. Astfel de dispozitive, în special, sunt utilizate.
Caracteristica de design a circuitului magnetic la inductor - o tăietură a plăcilor, care este creată pentru a crește și mai mult rezistența magnetică la fluxul magnetic datorită formării unui spațiu de aer.
Choke-urile cu o poziție divizată și reglabilă a circuitului magnetic sunt utilizate în multe inginerie radio și Dispozitive electrice. Destul de des pot fi găsite în modele transformatoare de sudare. Acestea reduc magnitudinea arcului electric trecut prin electrod la valoarea optimă.
Cuptoare cu inducție
Fenomenul de inducție electromagnetică se manifestă nu numai în fire și înfășurări, ci și în interiorul oricăror obiecte metalice masive. Curenții induși în ele se numesc curenți turbionari. În timpul funcționării transformatoarelor și bobinelor, acestea provoacă încălzirea circuitului magnetic și a întregii structuri.
Pentru a preveni acest fenomen, miezurile sunt realizate din foi metalice subtiri si izolate intre ele cu un strat de lac care impiedica trecerea curentilor indusi.
În structurile de încălzire, curenții turbionari nu limitează, ci creează cele mai favorabile condiții pentru trecerea lor. utilizat pe scară largă în productie industriala pentru a crea temperaturi ridicate.
Aparate electrice de masura
O clasă mare de dispozitive cu inducție continuă să funcționeze în sectorul energetic. Contoare electrice cu disc rotativ din aluminiu, similar cu designul releului de putere, sisteme sedative instrumentele de măsurare cu indicatori funcționează pe baza principiului inducției electromagnetice.
Generatoare de gaz magnetice
Dacă, în loc de un cadru închis, un gaz conductiv, lichid sau plasmă este deplasat în câmpul unui magnet, atunci sarcinile de electricitate sub acțiunea magnetică. linii de forță se va abate în direcții strict definite, formând un curent electric. Câmpul său magnetic pe plăcile de contact ale electrozilor montate induce o forță electromotoare. Sub acțiunea sa, se creează un curent electric în circuitul conectat la generatorul MHD.
Așa se manifestă legea inducției electromagnetice în generatoarele MHD.
Nu există piese rotative atât de complexe precum rotorul. Acest lucru simplifică designul, vă permite să creșteți semnificativ temperatura mediu de lucruși, în același timp, eficiența producerii de energie. Generatoarele MHD funcționează ca surse de rezervă sau de urgență capabile să genereze fluxuri semnificative de energie electrică în perioade scurte de timp.
Astfel, legea inducției electromagnetice, justificată de Michael Faraday la un moment dat, continuă să fie actuală și astăzi.
Legea inducției electromagnetice stă la baza ingineriei electrice moderne, precum și a ingineriei radio, care, la rândul lor, formează nucleul industriei moderne, care a transformat complet întreaga noastră civilizație. Uz practic inducția electromagnetică a început la doar o jumătate de secol după descoperirea sa. La acea vreme, progresul tehnologic era încă relativ lent. Motivul pentru care ingineria electrică joacă un rol atât de important în toate viețile noastre moderne este că electricitatea este cea mai convenabilă formă de energie și este tocmai din cauza legii inducției electromagnetice. Acesta din urmă facilitează obținerea energiei electrice din energie mecanică (generatoare), distribuirea și transportul flexibil de energie (transformatoare) și convertirea acesteia înapoi în energie mecanică (motor electric) și alte tipuri de energie, iar toate acestea se întâmplă cu o eficiență foarte mare. În urmă cu aproximativ 50 de ani, distribuția energiei între mașinile din fabrici era realizată prin sistem complex arbori și transmisii cu curele - pădurea transmisiilor a fost detaliu caracteristic„interiorul” industrial al vremii. Mașinile-unelte moderne sunt echipate cu motoare electrice compacte alimentate printr-un sistem de cablare electrică ascuns.
Utilizări ale industriei moderne sistem unic furnizarea de energie electrică, acoperind întreaga țară și, uneori, mai multe țări vecine.
Sistemul de alimentare începe cu un generator de energie. Funcționarea generatorului se bazează pe utilizarea directă a legii inducției electromagnetice. Schematic cel mai simplu generator Este un electromagnet (stator) staționar, în câmpul căruia se rotește o bobină (rotor). Curentul alternativ excitat în înfășurarea rotorului este îndepărtat cu ajutorul unor contacte mobile speciale - perii. Deoarece este dificil să treacă o putere mare prin contactele în mișcare, se folosește adesea un circuit generator inversat: un electromagnet rotativ excită curentul în înfășurările statorului statorului. Astfel, generatorul transformă energia mecanică de rotație a rotorului în electricitate. Acesta din urmă este antrenat fie de energie termică (turbină cu abur sau cu gaz), fie de energie mecanică (hidroturbină).
La celălalt capăt al sistemului de alimentare sunt diverse mecanisme executive care folosesc energie electrică, dintre care cel mai important este un motor electric (motor electric). Cel mai des întâlnit, datorită simplității sale, este așa-numitul motor asincron, inventat independent în 1885-1887. Fizicianul Httalian Ferraris și faimosul inginer croat Tesla (SUA). Statorul unui astfel de motor este un electromagnet complex care creează un câmp rotativ. Rotirea câmpului se realizează folosind un sistem de înfășurări în care curenții sunt defazați. În cel mai simplu caz, este suficient să luăm o suprapunere a două câmpuri în direcții perpendiculare, deplasate în fază cu 90° (Fig. VI.10).
Un astfel de câmp poate fi scris ca o expresie complexă:
care reprezintă un vector bidimensional de lungime constantă, care se rotește în sens invers acelor de ceasornic cu o frecvență o. Deși formula (53.1) este similară cu reprezentarea complexă a curentului alternativ din § 52, aceasta sens fizic diferit. În cazul curentului alternativ, doar partea reală a expresiei complexe a avut o valoare reală, dar aici valoarea complexă reprezintă un vector bidimensional, iar faza sa nu este doar faza oscilațiilor componentelor. câmp variabil, dar caracterizează și direcția vectorului câmp (vezi Fig. VI.10).
În inginerie, este obișnuit să folosiți ceva mai mult schema complexa rotația câmpului folosind așa-numitul curent trifazat, adică trei curenți, ale căror faze sunt deplasate cu 120 ° una față de alta. Acești curenți creează un câmp magnetic în trei direcții, rotit unul față de celălalt cu un unghi de 120 ° (Fig. VI.11). Rețineți că un astfel de curent trifazat se obține automat în generatoarele cu un aranjament similar de înfășurări. primit utilizare largăîn tehnica curentului trifazat a fost inventat
Orez. VI.10. Schema de obtinere a unui camp magnetic rotativ.
Orez. VI.11. Schema unui motor asincron. Pentru simplitate, rotorul este prezentat ca o singură rotație.
în 1888 de remarcabilul inginer electric rus Dolivo-Dobrovolsky, care a construit în Germania pe această bază prima linie electrică tehnică din lume.
Înfășurarea rotorului a unui motor cu inducție constă în cel mai simplu caz de spire scurtcircuitate. Un câmp magnetic alternativ induce un curent în bobine, ceea ce duce la rotirea rotorului în aceeași direcție cu câmpul magnetic. În conformitate cu regula lui Lenz, rotorul tinde să „atingă din urmă” câmpul magnetic rotativ. Pentru un motor încărcat, viteza rotorului este întotdeauna mai mică decât câmpul, deoarece altfel EMF de inducție și curentul din rotor ar deveni zero. De aici și numele - motor asincron.
Sarcina 1. Aflați viteza de rotație a rotorului unui motor cu inducție în funcție de sarcină.
Ecuația pentru curentul într-o tură a rotorului are forma
unde - viteza unghiulară de alunecare a câmpului față de rotor, caracterizează orientarea bobinei față de câmp, amplasarea bobinei în rotor (Fig. VI.12, a). Trecând la mărimi complexe (vezi § 52), obținem soluția (53.2)
Cuplul care acționează asupra unei bobine în același câmp magnetic este
Orez. VI.12. La problema de motor asincron. a - o rotire a înfășurării rotorului într-un câmp „de alunecare”; b - sarcina caracteristică a motorului.
De obicei, înfășurarea rotorului conține număr mare ture uniform distanțate, astfel încât suma peste 9 poate fi înlocuită prin integrare, rezultând cuplul total pe arborele motorului
unde este numărul de spire ale rotorului. Graficul dependenței este prezentat în Fig. VI.12, b. Cuplul maxim corespunde frecvenței de alunecare. Rețineți că rezistența ohmică a rotorului afectează doar frecvența de alunecare, nu cuplul maxim al motorului. Frecvența de alunecare negativă (rotorul „depășește” câmpul) corespunde modului generator. Pentru a menține acest mod, este necesar să consumați energie externă, care este convertită în energie electrică în înfășurările statorului.
Pentru un cuplu dat, frecvența de alunecare este ambiguă, dar numai modul este stabil
Elementul principal al sistemelor de transformare și transport a energiei electrice este un transformator care modifică tensiunea AC. Pentru transportul pe distanțe lungi a energiei electrice este avantajos să se utilizeze tensiunea maximă posibilă, limitată doar de ruperea izolației. În prezent, liniile de transport funcționează cu o tensiune de aproximativ Pentru o putere transmisă dată, curentul din linie este invers proporțional cu tensiunea, iar pierderile din linie cad ca pătratul tensiunii. Pe de altă parte, sunt necesare tensiuni mult mai mici pentru a alimenta consumatorii de energie electrică, în principal din motive de simplitate a proiectării (izolare), precum și de siguranță. De aici și necesitatea transformării tensiunii.
De obicei, un transformator este format din două înfășurări pe un miez comun de fier (Fig. VI. 13). Un miez de fier este necesar într-un transformator pentru a reduce fluxul parazit și, prin urmare, o legătură mai bună a fluxului între înfășurări. Deoarece fierul este și conductor, trece o variabilă
Orez. V1.13. Schema unui transformator de curent alternativ.
Orez. VI.14. Schema centurii Rogowski. Linia întreruptă arată în mod condiționat calea de integrare.
câmp magnetic numai la o adâncime mică (vezi § 87). Prin urmare, miezurile transformatoarelor trebuie să fie laminate, adică sub forma unui set de plăci subțiri izolate electric unele de altele. Pentru o frecvență de putere de 50 Hz, grosimea obișnuită a plăcii este de 0,5 mm. Pentru transformatoarele la frecvențe înalte (în inginerie radio), trebuie să utilizați plăci foarte subțiri (mm) sau miezuri de ferită.
Sarcina 2. La ce tensiune ar trebui să fie izolate plăcile centrale ale transformatorului?
Dacă numărul de plăci din miez și tensiunea pe tură a înfășurării transformatorului, atunci tensiunea dintre plăcile adiacente
În cel mai simplu caz al absenței unui flux împrăștiat, raportul EMF în ambele înfășurări este proporțional cu numărul de spire ale acestora, deoarece EMF de inducție pe tură este determinată de același flux în miez. Dacă, în plus, pierderile în transformator sunt mici, iar rezistența de sarcină este mare, atunci este evident că raportul tensiunilor de pe înfășurările primare și secundare este de asemenea proporțional. Acesta este principiul de funcționare al transformatorului, ceea ce face astfel ușoară schimbarea tensiunii de mai multe ori.
Sarcina 3. Găsiți raportul de transformare a tensiunii pentru o sarcină arbitrară.
Neglijând pierderile în transformator și scurgerile (transformatorul ideal), scriem ecuația pentru curenții din înfășurări sub formă (în unități SI)
unde este rezistența de sarcină complexă (vezi § 52) și expresia (51.2) este utilizată pentru FEM de inducție a unui circuit complex. Cu ajutorul relației (51,6); puteți găsi raportul de transformare a tensiunii fără a rezolva ecuațiile (53.6), ci pur și simplu împărțindu-le una la alta:
Raportul de transformare se dovedește a fi egal, prin urmare, pur și simplu cu raportul dintre numărul de spire la orice sarcină. Semnul depinde de alegerea începutului și a sfârșitului înfășurărilor.
Pentru a găsi raportul de transformare curent, trebuie să rezolvați sistemul (53.7), în urma căruia obținem
În cazul general, coeficientul se dovedește a fi o valoare complexă, adică apare o schimbare de fază între curenții din înfășurări. De interes caz special sarcină mică Atunci, adică raportul curenților devine inversul raportului tensiunilor.
Acest mod de transformator poate fi folosit pentru a măsura curenți mari (transformator de curent). Se pare că aceeași transformare simplă a curenților este păstrată și pentru o dependență arbitrară a curentului de timp cu un design special al transformatorului de curent. În acest caz, se numește bobina Rogowski (Fig. VI.14) și este un solenoid închis flexibil de formă arbitrară cu înfășurare uniformă. Funcționarea curelei se bazează pe legea conservării circulației câmpului magnetic (vezi § 33): în cazul în care integrarea se realizează de-a lungul conturului din interiorul centurii (vezi Fig. VI.14), este acoperit curentul total măsurat. de curea. Presupunând că dimensiunile transversale ale curelei sunt suficient de mici, putem scrie emf de inducție indusă pe centură după cum urmează:
unde este secțiunea transversală a curelei, a este densitatea înfășurării, se presupune că ambele valori sunt constante de-a lungul centurii; în interiorul centurii, dacă densitatea înfășurării curelei și secțiunea transversală a acesteia 50 sunt constante pe lungime (53.9).
Conversie simplă tensiune electrică posibil numai pentru curent alternativ. Aceasta determină rolul său decisiv în industria modernă. În cazurile în care este necesar curent continuu, apar dificultăți semnificative. De exemplu, în liniile de transmisie a energiei ultra-lungi, utilizarea curentului continuu oferă avantaje semnificative: pierdere de căldură, deoarece nu există efect de piele (vezi § 87) și nu există rezonante
(undă) tranzitorii la pornirea - oprirea liniei de transmisie, a cărei lungime este de ordinul lungimii de undă a curentului alternativ (6000 km pentru o frecvență industrială de 50 Hz). Dificultatea constă în redresarea curentului alternativ de înaltă tensiune la un capăt al liniei de transport și inversarea acestuia la celălalt.
După descoperirile lui Oersted și Ampère, a devenit clar că electricitatea are o forță magnetică. Acum a fost necesar să se confirme influența fenomenelor magnetice asupra celor electrice. Această problemă a fost rezolvată cu brio de Faraday.
În 1821, M. Faraday a făcut o înregistrare în jurnalul său: „Transformă magnetismul în electricitate”. După 10 ani, această problemă a fost rezolvată de el.
Deci, Michael Faraday (1791-1867) - fizician și chimist englez.
Unul dintre fondatorii electrochimiei cantitative. Primit (1823) în stare lichida clor, apoi hidrogen sulfurat, dioxid de carbon, amoniac și dioxid de azot. A descoperit (1825) benzenul, i-a studiat fizic și unele Proprietăți chimice. Introducerea conceptului de permitivitate dielectrică. Numele lui Faraday a intrat în sistemul de unități electrice ca unitate de capacitate electrică.
Multe dintre aceste lucrări ar putea, de la sine, să imortalizeze numele autorului lor. Dar cel mai important dintre lucrări științifice Faraday sunt cercetările sale în domeniul electromagnetismului și inducției electrice. Strict vorbind, o ramură importantă a fizicii care tratează fenomenele de electromagnetism și electricitate de inducție, și care în prezent are o importanță atât de mare pentru tehnologie, a fost creat de Faraday din nimic.
Când Faraday s-a dedicat în sfârșit cercetării în domeniul electricității, s-a constatat că cu conditii obisnuite prezența unui corp electrificat este suficientă pentru ca influența sa să excite electricitatea în orice alt corp.
Totodată, se știa că firul prin care trece curentul și care este și un corp electrificat nu are niciun efect asupra altor fire amplasate în apropiere. Ce a cauzat această excepție? Aceasta este întrebarea care l-a interesat pe Faraday și a cărei soluție l-a condus la cele mai importante descoperiri în domeniul electricității de inducție.
Faraday a înfășurat două fire izolate paralele între ele pe același sucisor de lemn. El a conectat capetele unui fir la o baterie de zece elemente, iar capetele celuilalt la un galvanometru sensibil. Când curentul a fost trecut prin primul fir, Faraday și-a îndreptat toată atenția către galvanometru, așteptându-se să observe din oscilațiile acestuia apariția unui curent în al doilea fir. Cu toate acestea, nu a existat nimic de acest fel: galvanometrul a rămas calm. Faraday a decis să mărească curentul și a introdus 120 de celule galvanice în circuit. Rezultatul este același. Faraday a repetat acest experiment de zeci de ori, toate cu același succes. Oricine altcineva în locul lui ar fi părăsit experimentul, convins că curentul care trece prin fir nu are niciun efect asupra firului adiacent. Dar Faraday a încercat întotdeauna să extragă din experimentele și observațiile sale tot ceea ce puteau oferi și, prin urmare, neavând un efect direct asupra firului conectat la galvanometru, a început să caute efecte secundare.
câmp de curent electric de inducție electromagnetică
A observat imediat că galvanometrul, rămânând complet calm pe toată durata trecerii curentului, a început să oscileze chiar la închiderea circuitului, iar când a fost deschis, s-a dovedit că în momentul în care curentul a trecut în primul fir, și, de asemenea, când această transmisie a încetat, în timpul celui de-al doilea fir este de asemenea excitat de un curent, care în primul caz are sens opus cu primul curent și este la fel cu acesta în al doilea caz și durează doar o clipă.
Fiind instantanee, dispărând instantaneu după apariția lor, curenții inductivi ar avea nu valoare practică, dacă Faraday nu ar fi găsit o cale, cu ajutorul unui dispozitiv (comutator) ingenios, să întrerupă constant și să conducă din nou curentul primar care vine din baterie prin primul fir, datorită căruia din ce în ce mai mulți curenți inductivi sunt excitați continuu în al doilea fir, devenind astfel constant. Așa că a fost găsită o nouă sursă energie electrica, pe lângă cunoscute anterior (procese de frecare și chimice), - inducție și noul fel din această energie este electricitatea de inducție.
INDUCTIE ELECTROMAGNETICA(lat. inductio - ghidare) - fenomenul de generare a unui vortex câmp electric câmp magnetic alternant. Dacă introduceți un conductor închis într-un câmp magnetic alternativ, atunci va apărea un curent electric în el. Apariția acestui curent se numește inducție de curent, iar curentul în sine se numește inductiv.
Khudoley Andrey, Khnykov Igor
Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică.
Descarca:
Previzualizare:
Pentru a utiliza previzualizarea prezentărilor, creați-vă un cont ( cont) Google și conectați-vă: https://accounts.google.com
Subtitrările slide-urilor:
Inducția electromagnetică în tehnologie moderna Realizat de elevii clasei 11 „A” MOUSOSH nr. 2 din orașul Suvorov Khnykov Igor, Khudoley Andrey
Fenomenul de inducție electromagnetică a fost descoperit la 29 august 1831 de Michael Faraday. Fenomenul de inducție electromagnetică constă în apariția unui curent electric într-un circuit conductor, care fie se odihnește într-un câmp magnetic care se modifică în timp, fie se mișcă într-un câmp magnetic constant în așa fel încât numărul liniilor de inducție magnetică care pătrund în modificări de circuit.
EMF de inducție electromagnetică într-un circuit închis este numeric egal și opus ca semn ratei de modificare a fluxului magnetic prin suprafața delimitată de acest circuit. Direcția curentului de inducție (precum și mărimea EMF) este considerată pozitivă dacă coincide cu direcția selectată de ocolire a circuitului.
Experimentul lui Faraday Un magnet permanent este introdus sau scos dintr-o bobină conectată la un galvanometru. Când magnetul se mișcă în circuit, apare un curent electric.În decurs de o lună, Faraday a descoperit experimental toate trăsăturile esențiale ale fenomenului de inducție electromagnetică. În prezent, experimentele lui Faraday pot fi realizate de oricine.
Principalele surse ale câmpului electromagnetic Principalele surse ale câmpului electromagnetic sunt: Liniile electrice. Cablaj (în interiorul clădirilor și structurilor). Aparate electrocasnice. Calculatoare personale. Posturi de transmisie TV si radio. Comunicații prin satelit și celulare (dispozitive, repetoare). Transport electric. instalatii radar.
Linii electrice Firele unei linii electrice în funcțiune creează un câmp electromagnetic de frecvență industrială (50 Hz) în spațiul adiacent (la distanțe de ordinul a zeci de metri față de fir). Mai mult, intensitatea câmpului în apropierea liniei poate varia într-o gamă largă, în funcție de sarcina sa electrică. De fapt, limitele zonei de protecție sanitară sunt stabilite de-a lungul liniei de delimitare cea mai îndepărtată de firele cu intensitatea maximă a câmpului electric, egală cu 1 kV/m.
Cablaje electrice Cablajele electrice includ: cabluri de alimentare pentru sistemele de susținere a vieții clădirilor, fire de distribuție a energiei, precum și plăci de ramificație, cutii de alimentare și transformatoare. Cablajul electric este principala sursă a câmpului electromagnetic de frecvență industrială în spațiile rezidențiale. În acest caz, nivelul intensității câmpului electric emis de sursă este adesea relativ scăzut (nu depășește 500 V/m).
Aparatele electrocasnice Sursele de câmpuri electromagnetice sunt toate aparatele electrocasnice care funcționează cu curent electric. În același timp, nivelul de radiație variază pe cea mai largă gamă, în funcție de model, dispozitivul dispozitivului și modul specific de funcționare. De asemenea, nivelul de radiație depinde puternic de consumul de energie al dispozitivului - cu cât puterea este mai mare, cu atât nivelul câmpului electromagnetic este mai mare în timpul funcționării dispozitivului. Intensitatea câmpului electric în apropierea aparatelor de uz casnic nu depășește zeci de V/m.
Calculatoare personale Sursa principală de efecte adverse asupra sănătății pentru un utilizator de computer este dispozitivul de afișare al monitorului (VOD). Pe lângă monitor bloc de sistem un computer personal poate include, de asemenea, un număr mare de alte dispozitive (cum ar fi imprimante, scanere, filtre de rețeași așa mai departe.). Toate aceste dispozitive funcționează cu utilizarea curentului electric, ceea ce înseamnă că sunt surse de câmp electromagnetic.
Câmpul electromagnetic al computerelor personale are cea mai complexă compoziție de undă și spectrală și este dificil de măsurat și cuantificat. Are componente magnetice, electrostatice și de radiații (în special, potențialul electrostatic al unei persoane care stă în fața unui monitor poate varia de la -3 la +5 V). Având în vedere condiția că calculatoarele personale sunt acum utilizate activ în toate industriile activitate umana, impactul lor asupra sănătății umane este supus unui studiu și control atent
Posturi de televiziune și radio Un număr semnificativ de posturi și centre de radiodifuziune se află în prezent pe teritoriul Rusiei. diverse accesorii. Stațiile și centrele de transmisie sunt amplasate în zone special destinate acestora și pot ocupa destul de mult teritorii mari(până la 1000 ha). Prin structura lor, acestea includ una sau mai multe clădiri tehnice, unde sunt amplasate transmițătoare radio și câmpuri de antene, pe care sunt amplasate până la câteva zeci de sisteme de alimentare cu antenă (AFS). Fiecare sistem include o antenă radiantă și o linie de alimentare care aduce semnalul de difuzare.
Comunicații prin satelit Sistemele de comunicații prin satelit constau dintr-o stație de transmisie pe Pământ și sateliți - repetoare pe orbită. Stațiile de transmisie prin satelit emit un fascicul de undă îngust direcționat, densitatea fluxului de energie în care ajunge la sute de W/m. Sistemele de comunicații prin satelit creează intensități mari ale câmpului electromagnetic la distanțe considerabile de antene. De exemplu, o stație cu o putere de 225 kW, care funcționează la o frecvență de 2,38 GHz, creează o densitate a fluxului de energie de 2,8 W/m2 la o distanță de 100 km. Imprăștirea energiei în raport cu fasciculul principal este foarte mică și are loc mai ales în zona de plasare directă a antenei.
Comunicarea celulară Radiotelefonia celulară este astăzi unul dintre cele mai intens dezvoltate sisteme de telecomunicații. Elementele principale ale sistemului comunicare celulară sunt stații de bază și radiotelefoane mobile. Stațiile de bază mențin comunicația radio cu dispozitivele mobile, drept urmare sunt surse de câmp electromagnetic. Sistemul folosește principiul împărțirii zonei de acoperire în zone, sau așa-numitele „celule”, cu o rază de km.
Intensitatea radiației stației de bază este determinată de sarcină, adică de prezența proprietarilor celulareîn zona de serviciu a unei anumite stații de bază și dorința lor de a folosi telefonul pentru o conversație, care, la rândul său, depinde în mod fundamental de ora din zi, locația stației, ziua săptămânii și alți factori . Noaptea, încărcarea stațiilor este aproape zero. Intensitatea radiației dispozitivelor mobile depinde în mare măsură de starea canalului de comunicație „radiotelefon mobil - stație de bază” (cu cât distanța de la stația de bază este mai mare, cu atât intensitatea radiației dispozitivului este mai mare).
Transportul electric Transportul electric (troleibuze, tramvaie, metrou, etc.) este o sursă puternică de câmp electromagnetic în intervalul de frecvență Hz. În același timp, în marea majoritate a cazurilor, motorul electric de tracțiune acționează ca emițător principal (pentru troleibuze și tramvaie, colectoarele de curent de aer concurează cu motorul electric în ceea ce privește puterea câmpului electric radiat).
Instalații radar Instalațiile radar și radar au de obicei antene de tip reflector („antene”) și emit un fascicul radio îngust direcționat. Mișcarea periodică a antenei în spațiu duce la discontinuitatea spațială a radiației. Există, de asemenea, o discontinuitate temporară a radiațiilor din cauza funcționării ciclice a radarului pentru radiații. Acestea funcționează la frecvențe de la 500 MHz la 15 GHz, dar unele instalații speciale pot funcționa la frecvențe de până la 100 GHz sau mai mult. Datorită naturii speciale a radiațiilor, acestea pot crea zone cu o densitate mare a fluxului de energie (100 W/m2 sau mai mult) pe sol.
Detectoare de metale Tehnologic, principiul de funcționare al unui detector de metale se bazează pe fenomenul de înregistrare a unui câmp electromagnetic care se creează în jurul oricărui obiect metalic atunci când acesta este plasat într-un câmp electromagnetic. Acest câmp electromagnetic secundar diferă atât ca intensitate (intensitatea câmpului), cât și în alți parametri. Acești parametri depind de dimensiunea obiectului și de conductivitatea acestuia (aurul și argintul au o conductivitate mult mai bună decât, de exemplu, plumbul) și, bineînțeles, de distanța dintre antena detectorului de metale și obiectul în sine (adâncimea de apariție).
Tehnologia de mai sus a determinat compoziția detectorului de metale: este alcătuit din patru blocuri principale: o antenă (uneori antenele de emisie și cele de recepție sunt diferite, iar uneori sunt aceeași antenă), o unitate de procesare electronică, o unitate de ieșire a informațiilor (vizual). - Afișaj LCD sau indicator săgeată și audio - difuzor sau mufă pentru căști) și alimentare.
Detectoarele de metale sunt: Căutare Inspecție În scopuri de construcție
Căutare Acest detector de metale este conceput pentru a căuta tot felul de obiecte metalice. De regulă, acestea sunt cele mai mari ca dimensiune, cost și, bineînțeles, în ceea ce privește funcțiile modelului. Acest lucru se datorează faptului că uneori trebuie să găsiți obiecte la o adâncime de până la câțiva metri în grosimea pământului. O antenă puternică este capabilă să genereze un nivel ridicat de câmp electromagnetic și să detecteze chiar și cei mai mici curenți la adâncimi mari cu sensibilitate ridicată. De exemplu, un detector de metale de căutare detectează o monedă de metal la o adâncime de 2-3 metri în pământ, care poate conține chiar compuși geologici feruginoși.
Camere de inspecție Folosite de serviciile speciale, vameși și ofițeri de securitate ai diverselor organizații pentru căutarea obiectelor metalice (arme, metale pretioase, fire de dispozitive explozive etc.) ascunse pe corpul și în hainele unei persoane. Aceste detectoare de metale se disting prin compactitate, ușurință în utilizare, prezența unor moduri precum vibrația silențioasă a mânerului (astfel încât persoana căutată să nu știe că ofițerul de căutare a găsit ceva). Intervalul (adâncimea) de detectare a unei monede ruble în astfel de detectoare de metale ajunge la 10-15 cm.
Detectoarele de metale arcuite, care seamănă la exterior cu un arc și necesită trecerea unei persoane prin el, sunt de asemenea utilizate pe scară largă. De-a lungul lor pereți verticali au pus antene ultra-sensibile care detectează obiecte metalice la toate nivelurile de creștere umană. Sunt instalate de obicei în fața locurilor de divertisment cultural, în bănci, instituții etc. caracteristica principală detectoare de metale arcuite - sensibilitate ridicată (reglabile) și viteză mare de procesare a fluxului de oameni.
În scopuri de construcție Această clasă de detectoare de metale, cu ajutorul alarmelor sonore și luminoase, ajută constructorii să găsească țevi metalice, elemente structurale sau antrenări situate atât în grosimea pereților, cât și în spatele pereților despărțitori și panourilor false. Unele detectoare de metale în scopuri de construcție sunt adesea combinate într-un singur dispozitiv cu detectoare constructie din lemn, detectoare de tensiune pe fire purtătoare de curent, detectoare de scurgeri etc.
Știm deja că un curent electric, care se deplasează printr-un conductor, creează un câmp magnetic în jurul acestuia. Pe baza acestui fenomen, omul a inventat și folosește pe scară largă o mare varietate de electromagneți. Dar se pune întrebarea: dacă sarcinile electrice, în mișcare, provoacă apariția unui câmp magnetic, dar nu funcționează și invers?
Adică, un câmp magnetic poate face ca un curent electric să circule într-un conductor? În 1831, Michael Faraday a descoperit că într-un circuit electric conducător închis, atunci când un câmp magnetic se modifică, ia naștere un curent electric. Un astfel de curent a fost numit curent de inducție, iar fenomenul de apariție a unui curent într-un circuit conductor închis cu o modificare a câmpului magnetic care pătrunde în acest circuit se numește inducție electromagnetică.
Fenomenul inducției electromagnetice
Numele „electromagnetic” în sine constă din două părți: „electro” și „magnetic”. Fenomenele electrice și magnetice sunt indisolubil legate între ele. Iar dacă sarcinile electrice, în mișcare, schimbă câmpul magnetic din jurul lor, atunci câmpul magnetic, în schimbare, vrând-nevrând face să se miște sarcinile electrice, formând un curent electric.
În acest caz, câmpul magnetic în schimbare este cel care provoacă apariția unui curent electric. Un câmp magnetic permanent nu va provoca mișcare sarcini electriceși, în consecință, nu se formează curentul de inducție. O analiză mai detaliată a fenomenului inducției electromagnetice, derivarea formulelor și legea inducției electromagnetice se referă la cursul clasei a IX-a.
Aplicarea inducției electromagnetice
În acest articol, vom vorbi despre utilizarea inducției electromagnetice. Funcționarea multor motoare și generatoare de curent se bazează pe utilizarea legilor inducției electromagnetice. Principiul muncii lor este destul de simplu de înțeles.
O modificare a câmpului magnetic poate fi cauzată, de exemplu, de mișcarea unui magnet. Prin urmare, dacă un magnet este mutat în interiorul unui circuit închis de o influență terță parte, atunci va apărea un curent în acest circuit. Deci puteți crea un generator de curent.
Dacă, dimpotrivă, un curent de la o sursă terță este trecut prin circuit, atunci magnetul din interiorul circuitului va începe să se miște sub influența câmpului magnetic generat de curentul electric. În acest fel, se poate asambla un motor electric.
Generatoarele de curent descrise mai sus transformă energia mecanică în energie electrică la centralele electrice. Energia mecanică este energia cărbunelui, combustibil diesel, vânt, apă și așa mai departe. Electricitatea este furnizată consumatorilor prin fire și acolo este transformată înapoi în energie mecanică în motoarele electrice.
Motoarele electrice ale aspiratoarelor, uscătoarelor de păr, mixerelor, răcitoarelor, mașinilor electrice de tocat carne și numeroaselor alte dispozitive pe care le folosim zilnic se bazează pe utilizarea inducției electromagnetice și a forțelor magnetice. Nu este nevoie să vorbim despre utilizarea acestor fenomene în industrie, este clar că este omniprezent.
