Praktická aplikácia Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie
Slovo "indukcia" v ruštine znamená procesy excitácie, smerovania, tvorby niečoho. V elektrotechnike sa tento termín používa už viac ako dve storočia.
Po prečítaní publikácií z roku 1821, ktoré popisovali experimenty dánskeho vedca Oersteda na výchylkách magnetickej ihly v blízkosti vodiča prenášajúceho elektrický prúd, si Michael Faraday stanovil úlohu: premeniť magnetizmus na elektrinu.
Po 10 rokoch výskumu sformuloval základný zákon elektromagnetickej indukcie a vysvetlil, že elektromotorická sila sa indukuje v akejkoľvek uzavretej slučke. Jeho hodnota je určená rýchlosťou zmeny magnetického toku prenikajúceho do uvažovanej slučky, ale berie sa so znamienkom mínus.
Prenos elektromagnetických vĺn na diaľku
Prvý odhad, ktorý prišiel na myseľ vedca, nebol korunovaný praktickým úspechom.
Položil dva uzavreté drôty vedľa seba.V blízkosti jedného som nainštaloval magnetickú ihlu ako indikátor prechádzajúceho prúdu a do druhého drôtu som dal impulz z vtedajšieho výkonného galvanického zdroja: voltového stĺpa.
Výskumník predpokladal, že pri prúdovom impulze v prvom obvode by meniace sa magnetické pole v ňom indukovalo prúd v druhom drôte, ktorý by vychýlil magnetickú strelku. Výsledok sa však ukázal ako negatívny - indikátor nefunguje. Skôr mu chýbala citlivosť.
Mozog vedca predvída vytváranie a prenos elektromagnetických vĺn na diaľku, ktoré sa dnes používajú v rozhlasovom vysielaní, televízii, bezdrôtovom ovládaní, Wi-Fi technológiách a podobných zariadeniach. Jednoducho ho frustrovala nedokonalá základňa prvkov vtedajších meracích prístrojov.
Výroba elektriny
Po zlom experimente zmenil Michael Faraday podmienky experimentu.
Na experiment Faraday použil dve cievky s uzavretou slučkou. V prvom okruhu napájal elektrický prúd zo zdroja a v druhom pozoroval výskyt EMF. Prúd prechádzajúci závitmi cievky #1 vytvára magnetický tok okolo cievky, preniká cievkou #2 a vytvára v nej elektromotorickú silu.
Počas Faradayovho experimentu:
- zapnite impulz na napájanie obvodu so stacionárnymi cievkami;
- keď bol aplikovaný prúd, zaviedol hornú cievku do spodnej cievky;
- upevnil cievku č. 1 natrvalo a zaviedol do nej cievku č. 2;
- zmenila rýchlosť pohybu cievok voči sebe navzájom.
Vo všetkých týchto prípadoch pozoroval prejav indukcie EMF v druhej cievke. A keďže cez vinutie č. 1 a stacionárne cievky prechádzal iba jednosmerný prúd, nevznikla žiadna elektromotorická sila.
Vedec zistil, že EMF indukované v druhej cievke závisí od rýchlosti, ktorou sa mení magnetický tok. Je úmerná jeho veľkosti.
Rovnaký vzor sa naplno prejaví pri prejazde uzavretou slučkou magnetické siločiary permanentného magnetu. Pod vplyvom EMF sa v drôte vytvára elektrický prúd.
Magnetický tok sa v uvažovanom prípade mení v slučke Sk vytvorenej uzavretým obvodom.
Vývoj vytvorený Faradayom teda umožnil umiestniť otočný vodivý rám do magnetického poľa.
Potom bol vyrobený z veľkého počtu závitov upevnených v rotačných ložiskách.Na koncoch cievky boli nainštalované zberacie krúžky a kefy, ktoré sa na nich posúvali, a cez svorky krytu bola pripojená záťaž. Výsledkom je moderný alternátor.
Jeho jednoduchšia konštrukcia vzniká, keď je cievka upevnená na stacionárnom kryte a magnetický systém sa začne otáčať. V tomto prípade je spôsob generovania prúdov spôsobený elektromagnetická indukcia nie je žiadnym spôsobom porušená.
Princíp činnosti elektromotorov
Zákon elektromagnetickej indukcie, ktorého priekopníkom bol Michael Faraday, umožňuje rôzne konštrukcie elektromotorov. Majú podobnú štruktúru ako generátory: pohyblivý rotor a stator, ktoré sa navzájom ovplyvňujú v dôsledku rotujúcich elektromagnetických polí.
Elektrický prúd prechádza iba statorovým vinutím elektromotora. Indukuje magnetický tok, ktorý ovplyvňuje magnetické pole rotora. V dôsledku toho vznikajú sily, ktoré otáčajú hriadeľ motora. Pozri na túto tému - Princíp činnosti a zariadenie elektromotora
Transformácia elektriny
Michael Faraday určil výskyt indukovanej elektromotorickej sily a indukovaného prúdu v blízkej cievke, keď sa zmenilo magnetické pole v susednej cievke.
Prúd v blízkej cievke sa indukuje pri zapnutí spínacieho obvodu v cievke 1 a je vždy prítomný počas prevádzky generátora na cievku 3.
Prevádzka všetkých moderných transformátorových zariadení je založená na tejto vlastnosti, takzvanej vzájomnej indukcii.
Transformátory v dôsledku vzájomnej indukcie prenášajú energiu striedavého elektromagnetického poľa z jednej cievky na druhú, takže dochádza k zmene, transformácii hodnoty napätia na jej vstupných a výstupných svorkách.
Pomer počtu závitov vo vinutí určuje koeficient transformácie a hrúbka drôtu, konštrukcia a objem materiálu jadra - hodnota prenášaného výkonu, prevádzkový prúd.
Činnosť induktorov
Prejav elektromagnetickej indukcie pozorujeme v cievke pri zmene hodnoty prúdu v nej pretekajúceho. Tento proces sa nazýva samoindukcia.
Pri zapnutí spínača vo vyššie uvedenom diagrame indukovaný prúd mení charakter lineárneho nárastu prevádzkového prúdu v obvode, ako aj počas vypínania.
Keď na drôt navinutý v cievke nie je privedené konštantné, ale striedavé napätie, potom ním preteká hodnota prúdu znížená o indukčný odpor.Samoindukčná energia fázovo posúva prúd vzhľadom na aplikované napätie.
Tento jav sa používa v tlmivkách, ktoré sú určené na zníženie veľkých prúdov, ktoré sa vyskytujú za určitých prevádzkových podmienok. Používajú sa najmä takéto zariadenia v okruhu pre osvetlenie žiariviek.
Znakom konštrukcie magnetického obvodu tlmivky je výrez dosiek, ktorý je vytvorený na ďalšie zvýšenie magnetického odporu voči magnetickému toku v dôsledku vytvorenia vzduchovej medzery.
Tlmivky s delenou a nastaviteľnou polohou magnetického obvodu sa používajú v mnohých rádiových a elektrických zariadeniach. Pomerne často ich možno nájsť pri konštrukcii zváracích transformátorov. Znižujú veľkosť elektrického oblúka prechádzajúceho elektródou na optimálnu hodnotu.
Indukčné rúry
Fenomén elektromagnetickej indukcie sa prejavuje nielen v drôtoch a cievkach, ale aj vo vnútri akýchkoľvek masívnych kovových predmetov. Prúdy v nich indukované sa zvyčajne nazývajú vírivé prúdy.Pri činnosti transformátorov a tlmiviek spôsobujú zahrievanie magnetického obvodu a celej konštrukcie.
Aby sa tomuto javu zabránilo, sú jadrá vyrobené z tenkých kovových plechov a izolované vrstvou laku, ktorý zabraňuje prechodu indukovaných prúdov.
Vo vykurovacích konštrukciách vírivé prúdy neobmedzujú, ale vytvárajú najpriaznivejšie podmienky pre ich prechod. Indukčné rúry sú široko používané v priemyselnej výrobe na vytváranie vysokých teplôt.
Elektrotechnické meracie prístroje
Veľká trieda indukčných zariadení naďalej funguje v elektrine.Elektromery s otočným hliníkovým kotúčom podobnej konštrukcii výkonového relé, tlmiace číselníkové systémy, pracujú na princípe elektromagnetickej indukcie.
Plynové magnetické generátory
Ak sa namiesto uzavretého rámu pohybuje vodivý plyn, kvapalina alebo plazma v poli magnetu, potom sa náboje elektriny pod pôsobením magnetických siločiar začnú odchyľovať v presne definovaných smeroch a vytvárajú elektrický prúd. Jeho magnetické pole na namontovaných elektródových kontaktných doskách indukuje elektromotorickú silu. Pri jeho pôsobení sa v pripojenom obvode ku generátoru MHD generuje elektrický prúd.
V generátoroch MHD sa teda prejavuje zákon elektromagnetickej indukcie.
Neexistujú žiadne komplikované rotujúce časti ako rotor. To zjednodušuje konštrukciu, umožňuje výrazne zvýšiť teplotu pracovného prostredia a zároveň efektivitu výroby elektrickej energie. Generátory MHD fungujú ako záložné alebo núdzové zdroje schopné krátkodobo generovať významné toky elektriny.
Zákon elektromagnetickej indukcie, podložený kedysi Michaelom Faradayom, je teda aktuálny aj dnes.