Elektromagnetische Induktion. Praktische Anwendung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion

Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion liegt der modernen Elektrotechnik sowie der Funktechnik zugrunde, die wiederum den Kern der modernen Industrie bildet, die unsere gesamte Zivilisation vollständig verändert hat. Praktischer Nutzen Die elektromagnetische Induktion begann erst ein halbes Jahrhundert nach ihrer Entdeckung. Damals war der technologische Fortschritt noch relativ langsam. Der Grund, warum die Elektrotechnik in allen unseren eine so wichtige Rolle spielt modernes Leben, ist, dass Elektrizität die bequemste Energieform ist, und zwar gerade wegen des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion. Letzteres macht es einfach, Strom aus mechanischen (Generatoren) zu gewinnen, Energie flexibel zu verteilen und zu transportieren (Transformatoren) und wieder in mechanische (Elektromotor) und andere Energieformen umzuwandeln, und das alles mit sehr viel hohe Effizienz. Vor rund 50 Jahren erfolgte die Energieverteilung zwischen Werkzeugmaschinen in Fabriken über ein komplexes System aus Wellen und Riementrieben – der Getriebewald war ein charakteristisches Detail des industriellen „Interieurs“ jener Zeit. Moderne Werkzeugmaschinen sind mit kompakten Elektromotoren ausgestattet, die durch ein verstecktes elektrisches Verdrahtungssystem gespeist werden.

Die moderne Industrie nutzt ein einziges Stromversorgungssystem, das das ganze Land und manchmal mehrere Nachbarländer abdeckt.

Das Stromversorgungssystem beginnt mit einem Stromgenerator. Der Betrieb des Generators basiert auf der direkten Nutzung des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion. Schematisch der einfachste Generator Es ist ein stationärer Elektromagnet (Stator), in dessen Feld sich eine Spule (Rotor) dreht. Der in der Rotorwicklung angeregte Wechselstrom wird mit Hilfe spezieller beweglicher Kontakte - Bürsten - entfernt. Da es schwierig ist, große Leistung durch bewegliche Kontakte zu leiten, wird häufig eine invertierte Generatorschaltung verwendet: Ein rotierender Elektromagnet erregt Strom in den stationären Statorwicklungen. Somit wandelt der Generator die mechanische Energie der Drehung des Rotors in Elektrizität um. Letztere wird entweder durch thermische Energie (Dampf bzw Gasturbine) oder mechanisch (Hydroturbine).

Am anderen Ende des Stromversorgungssystems befinden sich verschiedene Aktuatoren, die Strom verwenden, von denen der wichtigste der Elektromotor (Elektromotor) ist. Am gebräuchlichsten ist aufgrund seiner Einfachheit der sogenannte Asynchronmotor, der 1885-1887 unabhängig erfunden wurde. Der italienische Physiker Ferraris und der berühmte kroatische Ingenieur Tesla (USA). Der Stator eines solchen Motors ist ein komplexer Elektromagnet, der ein Drehfeld erzeugt. Die Drehung des Feldes wird durch ein Wicklungssystem erreicht, in dem die Ströme phasenverschoben sind. Im einfachsten Fall reicht es aus, zwei um 90° phasenverschobene Felder in senkrechter Richtung zu überlagern (Abb. VI.10).

Ein solches Feld kann als komplexer Ausdruck geschrieben werden:

der einen zweidimensionalen Vektor konstanter Länge darstellt, der sich mit einer Frequenz o gegen den Uhrzeigersinn dreht. Obwohl Formel (53.1) der komplexen Darstellung des Wechselstroms in § 52 ähnlich ist, hat sie eine andere physikalische Bedeutung. Beim Wechselstrom hatte nur der Realteil des komplexen Ausdrucks einen reellen Wert, aber hier stellt der komplexe Wert einen zweidimensionalen Vektor dar, und seine Phase ist nicht nur die Phase der Schwingungen der Komponenten des Wechselfelds, sondern charakterisiert auch die Richtung des Feldvektors (siehe Abb. VI.10).

In der Technik ist es üblich, etwas mehr zu verwenden komplexes Schema Drehung des Feldes durch den sogenannten Drehstrom, also drei Ströme, deren Phasen um 120° gegeneinander verschoben sind. Diese Ströme erzeugen ein Magnetfeld in drei Richtungen, die um einen Winkel von 120 ° gegeneinander gedreht sind (Abb. VI.11). Beachten Sie, dass ein solcher Drehstrom automatisch in Generatoren mit einer ähnlichen Wicklungsanordnung erhalten wird. Der in der Technik weit verbreitete Drehstrom war erfunden

Reis. VI.10. Schema zum Erhalten eines rotierenden Magnetfelds.

Reis. VI.11. Schema eines Asynchronmotors. Der Einfachheit halber ist der Rotor als einzelne Windung gezeigt.

1888 von dem herausragenden russischen Elektroingenieur Dolivo-Dobrovolsky, der in Deutschland auf dieser Basis die erste technische Hochspannungsleitung der Welt baute.

Die Läuferwicklung eines Asynchronmotors besteht im einfachsten Fall aus kurzgeschlossenen Windungen. Ein magnetisches Wechselfeld induziert in den Spulen einen Strom, der dazu führt, dass sich der Rotor in die gleiche Richtung wie das Magnetfeld dreht. Gemäß der Lenz'schen Regel hat der Rotor die Tendenz, das rotierende Magnetfeld "einzuholen". Bei belastetem Motor ist die Rotordrehzahl immer kleiner als die Felder, da sonst EMF-Induktion und der Strom im Rotor würde auf Null gehen. Daher der Name - Asynchronmotor.

Aufgabe 1. Finden Sie die Drehzahl des Rotors eines Induktionsmotors in Abhängigkeit von der Last.

Die Gleichung für den Strom in einer Umdrehung des Rotors hat die Form

wo - die Winkelgeschwindigkeit des Feldes, das relativ zum Rotor gleitet, charakterisiert die Ausrichtung der Spule relativ zum Feld, die Position der Spule im Rotor (Abb. VI.12, a). Beim Übergang zu komplexen Größen (siehe § 52) erhalten wir die Lösung (53.2)

Das auf eine Spule wirkende Drehmoment im selben Magnetfeld ist

Reis. VI.12. Zum Problem eines Asynchronmotors. a - eine Drehung der Rotorwicklung in einem "gleitenden" Feld; b - Lastkennlinie des Motors.

Typischerweise enthält die Rotorwicklung eine große Anzahl gleichmäßig verteilter Windungen, so dass die Summation über 9 durch Integration ersetzt werden kann, als Ergebnis erhalten wir für das Gesamtdrehmoment an der Motorwelle

wo ist die Anzahl der Umdrehungen des Rotors. Der Abhängigkeitsgraph ist in Abb. VI.12, b. Das maximale Drehmoment entspricht der Schlupffrequenz. Beachten Sie, dass der ohmsche Widerstand des Rotors nur die Schlupffrequenz beeinflusst, nicht aber das maximale Drehmoment des Motors. Die negative Schlupffrequenz (der Rotor „überholt“ das Feld) entspricht dem Generatorbetrieb. Um diesen Modus aufrechtzuerhalten, muss externe Energie aufgewendet werden, die in den Statorwicklungen in elektrische Energie umgewandelt wird.

Für ein gegebenes Drehmoment ist die Schlupffrequenz mehrdeutig, aber nur der Modus ist stabil

Das Hauptelement der Systeme zum Umwandeln und Transportieren von Strom ist ein Transformator, der die Wechselspannung ändert. Für die Fernübertragung von Elektrizität ist es vorteilhaft, die maximal mögliche Spannung zu verwenden, die nur durch einen Isolationsdurchschlag begrenzt ist. Gegenwärtig arbeiten Übertragungsleitungen mit einer Spannung von ungefähr. Für eine gegebene übertragene Leistung ist der Strom in der Leitung umgekehrt proportional zur Spannung, und die Verluste in der Leitung fallen quadratisch mit der Spannung. Andererseits werden viel niedrigere Spannungen benötigt, um Stromverbraucher mit Strom zu versorgen, hauptsächlich aus Gründen der Einfachheit des Designs (Isolierung) sowie der Sicherheit. Daher die Notwendigkeit einer Spannungstransformation.

Üblicherweise besteht ein Transformator aus zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern (Abb. VI. 13). Ein Eisenkern wird in einem Transformator benötigt, um den Streufluss zu reduzieren und damit eine bessere Flussverbindung zwischen den Wicklungen zu erreichen. Da Eisen auch ein Leiter ist, übergibt es eine Variable

Reis. V1.13. Schema eines Wechselstromtransformators.

Reis. VI.14. Schema des Rogowski-Gürtels. Die gestrichelte Linie zeigt bedingt den Integrationsweg.

Magnetfeld nur bis zu einer geringen Tiefe (siehe § 87). Daher müssen die Kerne von Transformatoren laminiert hergestellt werden, dh in Form eines Satzes dünner Platten, die elektrisch voneinander isoliert sind. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beträgt die übliche Plattendicke 0,5 mm. Für Übertrager bei hohen Frequenzen (in der Funktechnik) muss man sehr dünne Bleche (mm) oder Ferritkerne verwenden.

Aufgabe 2. Gegen welche Spannung sollen die Kernbleche des Transformators isoliert werden?

Wenn die Anzahl der Platten im Kern und die Spannung pro Windung der Transformatorwicklung, dann die Spannung zwischen benachbarten Platten

Im einfachsten Fall des Fehlens einer Streuströmung ist das EMK-Verhältnis in beiden Wicklungen proportional zur Anzahl ihrer Windungen, da die Induktions-EMK pro Windung durch den gleichen Fluss im Kern bestimmt wird. Wenn außerdem die Verluste im Transformator klein und der Lastwiderstand groß sind, ist es offensichtlich, dass das Verhältnis der Spannungen an der Primär- und Sekundärwicklung ebenfalls proportional ist. Dies ist das Funktionsprinzip des Transformators, der es ermöglicht, die Spannung um ein Vielfaches zu ändern.

Aufgabe 3. Finden Sie das Spannungsübersetzungsverhältnis für eine beliebige Last.

Unter Vernachlässigung von Verlusten im Transformator und Leckage (idealer Transformator) schreiben wir die Gleichung für Ströme in den Wicklungen in der Form (in SI-Einheiten)

wo ist der komplexe Lastwiderstand (siehe § 52) und der Ausdruck (51.2) wird für die Induktions-EMK eines komplexen Stromkreises verwendet. Mit Hilfe der Beziehung (51.6); Sie können das Spannungsübersetzungsverhältnis finden, ohne die Gleichungen (53.6) zu lösen, sondern einfach, indem Sie sie durcheinander dividieren:

Das Übersetzungsverhältnis ist also gleich dem Verhältnis der Windungszahl bei beliebiger Belastung. Das Vorzeichen hängt von der Wahl des Anfangs- und Endes der Wicklungen ab.

Um das aktuelle Übersetzungsverhältnis zu finden, müssen Sie das System (53,7) lösen, als Ergebnis erhalten wir

Im allgemeinen Fall stellt sich heraus, dass der Koeffizient ein komplexer Wert ist, d. H. Zwischen den Strömen in den Wicklungen tritt eine Phasenverschiebung auf. Interessant ist der Spezialfall einer kleinen Last, d.h. dann wird das Verhältnis der Ströme zum Kehrwert des Verhältnisses der Spannungen.

Dieser Wandlermodus kann zur Messung hoher Ströme (Stromwandler) verwendet werden. Es zeigt sich, dass die gleiche einfache Transformation von Strömen auch für eine beliebige Abhängigkeit des Stroms von der Zeit mit einer speziellen Konstruktion des Stromwandlers erhalten bleibt. Sie heißt in diesem Fall Rogowski-Spule (Abb. VI.14) und ist eine flexible geschlossene Spule beliebiger Form mit gleichmäßiger Wicklung. Der Betrieb des Riemens basiert auf dem Erhaltungssatz der Zirkulation des Magnetfelds (siehe § 33): wo die Integration entlang der Kontur innerhalb des Riemens durchgeführt wird (siehe Abb. VI.14), ist der gesamte gemessene Strom vom Gürtel verdeckt. Unter der Annahme, dass die Querabmessungen des Riemens klein genug sind, können wir die auf den Riemen induzierte Induktions-EMK wie folgt schreiben:

wo ist der Querschnitt des Riemens, a ist die Wickeldichte, beide Werte werden entlang des Riemens als konstant angenommen; innerhalb des Riemens, wenn die Wicklungsdichte des Riemens und sein Querschnitt 50 über die Länge (53.9) konstant sind.

Eine einfache Wandlung der elektrischen Spannung ist nur für Wechselstrom möglich. Dies bestimmt seine eine wichtige Rolle in der modernen Industrie. In Fällen, in denen Gleichstrom erforderlich ist, treten erhebliche Schwierigkeiten auf. Beispielsweise bietet die Verwendung von Gleichstrom in Hochspannungsleitungen mit extrem großer Reichweite erhebliche Vorteile: Wärmeverluste werden reduziert, da kein Skin-Effekt (siehe § 87) und keine Resonanz vorhanden sind

(Welle) Transienten beim Ein- und Ausschalten der Übertragungsleitung, deren Länge in der Größenordnung der Wellenlänge des Wechselstroms liegt (6000 km bei einer industriellen Frequenz von 50 Hz). Die Schwierigkeit liegt darin, Hochspannungswechselstrom an einem Ende der Übertragungsleitung gleichzurichten und am anderen zu invertieren.

Heute werden wir über das Phänomen der elektromagnetischen Induktion sprechen. Wir verraten, warum dieses Phänomen entdeckt wurde und welche Vorteile es brachte.

Seide

Menschen haben schon immer danach gestrebt, besser zu leben. Jemand könnte denken, dass dies ein Grund ist, der Menschheit Gier vorzuwerfen. Aber oft wir redenüber den Erwerb grundlegender Annehmlichkeiten des Lebens.

BEIM mittelalterliches Europa Sie wussten, wie man Woll-, Baumwoll- und Leinenstoffe herstellt. Und damals litten die Menschen unter einem Übermaß an Flöhen und Läusen. Gleichzeitig hat die chinesische Zivilisation bereits gelernt, wie man Seide kunstvoll webt. Kleidung daraus erlaubte Blutsaugern nicht, menschliche Haut zu erreichen. Die Pfoten der Insekten glitten hinüber glatter Stoff, und die Läuse fielen ab. Deshalb wollten sich die Europäer um jeden Preis in Seide kleiden. Und die Kaufleute dachten, es sei eine weitere Gelegenheit, reich zu werden. Deshalb wurde die Große Seidenstraße gelegt.

Nur so wurde der gewünschte Stoff ins leidende Europa geliefert. Und so viele Menschen waren daran beteiligt, dass Städte aus dem Boden schossen, Imperien um das Recht zur Erhebung von Steuern kämpften und manche Straßenabschnitte immer noch die größten sind bequeme Weise an die richtige Stelle kommen.

Kompass und Stern

Berge und Wüsten standen Karawanen mit Seide im Weg. Es kam vor, dass der Charakter der Gegend über Wochen und Monate gleich blieb. Steppendünen wichen denselben Hügeln, ein Pass folgte dem anderen. Und die Menschen mussten irgendwie navigieren, um ihre wertvolle Fracht abzuliefern.

Die Sterne kamen zuerst. Mit dem Wissen, welcher Tag heute ist und welche Konstellationen zu erwarten sind, könnte ein erfahrener Reisender immer bestimmen, wo der Süden ist, wo der Osten ist und wohin es gehen soll. Aber es fehlte schon immer an Menschen mit ausreichendem Wissen. Ja, und dann wussten sie nicht, wie man die Zeit genau zählt. Sonnenuntergang, Sonnenaufgang - das sind alle Wahrzeichen. Und ein Schnee- oder Sandsturm, bewölktes Wetter schloss sogar die Möglichkeit aus, den Polarstern zu sehen.

Dann erkannten die Menschen (wahrscheinlich die alten Chinesen, aber Wissenschaftler streiten sich immer noch darüber), dass ein Mineral immer auf eine bestimmte Weise in Bezug auf die Himmelsrichtungen angeordnet ist. Diese Eigenschaft wurde verwendet, um den ersten Kompass zu erstellen. Bis zur Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion war es noch ein weiter Weg, aber ein Anfang war gemacht.

Vom Kompass zum Magneten

Schon der Name „Magnet“ geht auf den Ortsnamen zurück. Wahrscheinlich wurden die ersten Kompasse aus Erz hergestellt, das in den Hügeln von Magnesia abgebaut wurde. Dieses Gebiet liegt in Kleinasien. Und die Magnete sahen aus wie schwarze Steine.

Die ersten Kompasse waren sehr primitiv. Wasser wurde in eine Schüssel oder einen anderen Behälter gegossen, eine dünne Scheibe aus schwimmendem Material wurde darauf gelegt. Und eine magnetisierte Nadel wurde in der Mitte der Scheibe platziert. Eines seiner Enden zeigte immer nach Norden, das andere - nach Süden.

Es ist schwer vorstellbar, dass die Karawane Wasser für den Kompass aufbewahrte, während die Menschen verdursteten. Aber verlieren Sie nicht die Richtung und lassen Sie Menschen, Tiere und Waren zu sich kommen sicherer Ort wichtiger war als ein paar getrennte Leben.

Kompasse machten viele Reisen und trafen auf verschiedene Naturphänomene. Es überrascht nicht, dass das Phänomen der elektromagnetischen Induktion in Europa entdeckt wurde, obwohl magnetisches Erz ursprünglich in Asien abgebaut wurde. Auf diese verschlungene Weise führte der Wunsch der Europäer, bequemer zu schlafen, zur wichtigsten Entdeckung der Physik.

Magnetisch oder elektrisch?

Im frühen neunzehnten Jahrhundert fanden Wissenschaftler heraus, wie man Gleichstrom erhält. Die erste primitive Batterie wurde geschaffen. Es genügte, einen Elektronenstrom durch Metallleiter zu schicken. Dank der ersten Elektrizitätsquelle wurden eine Reihe von Entdeckungen gemacht.

1820 fand der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted heraus, dass die Magnetnadel neben dem im Netzwerk enthaltenen Leiter abweicht. Der Pluspol des Kompasses liegt immer auf eine bestimmte Weise in Bezug auf die Stromrichtung. Der Wissenschaftler machte Experimente in allen möglichen Geometrien: Der Leiter befand sich über oder unter dem Pfeil, sie befanden sich parallel oder senkrecht. Das Ergebnis war immer dasselbe: Der eingeschlossene Strom setzte den Magneten in Bewegung. Somit wurde die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion vorweggenommen.

Aber die Idee der Wissenschaftler muss durch Experimente bestätigt werden. Unmittelbar nach Oersteds Experiment stellte der englische Physiker Michael Faraday die Frage: „Magnetic and elektrisches Feld beeinflussen sich nur gegenseitig oder sind sie enger miteinander verwandt? Der Wissenschaftler testete erstmals die Annahme, dass, wenn ein elektrisches Feld ein magnetisiertes Objekt ablenken lässt, der Magnet einen Strom erzeugen sollte.

Das Erfahrungsschema ist einfach. Jetzt kann es jeder Schüler wiederholen. Ein dünner Metalldraht wurde in Form einer Feder gewickelt. Seine Enden waren mit einem Gerät verbunden, das den Strom aufzeichnete. Wenn sich ein Magnet neben der Spule bewegte, zeigte der Pfeil des Geräts die Spannung des elektrischen Felds an. So wurde das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion abgeleitet.

Fortsetzung der Experimente

Aber das ist nicht alles, was der Wissenschaftler getan hat. Da magnetische und elektrische Felder eng miteinander verbunden sind, musste herausgefunden werden, wie stark.

Dazu brachte Faraday Strom zu einer Wicklung und schob ihn in eine andere ähnliche Wicklung mit einem größeren Radius als der erste. Wieder wurde Elektrizität induziert. Damit bewies der Wissenschaftler: Eine bewegte Ladung erzeugt gleichzeitig elektrische und magnetische Felder.

Es ist hervorzuheben, dass es sich um die Bewegung eines Magneten oder eines Magnetfelds innerhalb eines geschlossenen Federkreises handelt. Das heißt, der Fluss muss sich ständig ändern. Geschieht dies nicht, wird kein Strom erzeugt.

Formel

Das Faradaysche Gesetz für die elektromagnetische Induktion wird durch die Formel ausgedrückt

Lassen Sie uns die Zeichen entziffern.

ε steht für EMF oder elektromotorische Kraft. Diese Größe ist ein Skalar (d. h. kein Vektor) und zeigt die Arbeit, die einige Kräfte oder Naturgesetze anwenden, um einen Strom zu erzeugen. Es ist zu beachten, dass Arbeit durch nichtelektrische Phänomene verrichtet werden muss.

Φ ist der magnetische Fluss durch eine geschlossene Schleife. Dieser Wert ist das Produkt aus zwei anderen: dem Modul des magnetischen Induktionsvektors B und der Fläche der geschlossenen Schleife. Wenn das Magnetfeld nicht streng senkrecht auf die Kontur einwirkt, wird der Kosinus des Winkels zwischen dem Vektor B und der Flächennormalen zum Produkt addiert.

Folgen der Entdeckung

Diesem Gesetz folgten andere. Nachfolgende Wissenschaftler stellten die Abhängigkeit des elektrischen Stroms von der Leistung und des Widerstands vom Material des Leiters fest. Neue Eigenschaften wurden untersucht, unglaubliche Legierungen wurden geschaffen. Schließlich hat die Menschheit die Struktur des Atoms entschlüsselt, ist in das Geheimnis der Geburt und des Todes von Sternen eingetaucht und hat das Genom von Lebewesen geöffnet.

Und all diese Errungenschaften erforderten eine enorme Menge an Ressourcen und vor allem Strom. Jede Produktion oder groß Wissenschaftliche Forschung wurden dort durchgeführt, wo drei Komponenten vorhanden waren: qualifiziertes Personal, direkt das Arbeitsmaterial und billiger Strom.

Und dies war möglich, wo die Kräfte der Natur nachgeben konnten großer Augenblick Rotordrehung: Flüsse mit großem Höhenunterschied, Täler mit starke Winde, Verwerfungen mit überschüssiger geomagnetischer Energie.

Das ist interessant moderner Weg Elektrizität zu gewinnen unterscheidet sich nicht grundlegend von Faradays Experimenten. Der Magnetrotor dreht sich sehr schnell in einer großen Drahtspule. Das Magnetfeld in der Wicklung ändert sich ständig und es entsteht ein elektrischer Strom.

Natürlich ausgewählt bestes Material für Magnet und Leiter, und die Technologie des gesamten Prozesses ist völlig anders. Aber das Wesentliche ist eines: Es wird ein Prinzip verwendet, das auf dem einfachsten System offen ist.

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EINLEITUNG

Es ist kein Zufall, dass der erste und wichtigste Schritt zur Entdeckung dieser neuen Seite der elektromagnetischen Wechselwirkungen vom Begründer der Ideen über das elektromagnetische Feld - einem der größten Wissenschaftler der Welt - Michael Faraday (1791-1867) gemacht wurde. . Faraday war sich der Einheit elektrischer und magnetischer Phänomene absolut sicher. Kurz nach Oersteds Entdeckung schrieb er in sein Tagebuch (1821): „Verwandle Magnetismus in Elektrizität.“ Seitdem hat Faraday ohne Unterlass über dieses Problem nachgedacht. Es heißt, er habe ständig einen Magneten in seiner Westentasche getragen, der ihn an die anstehende Aufgabe erinnern sollte. Zehn Jahre später, im Jahr 1831, war das Problem durch harte Arbeit und den Glauben an den Erfolg gelöst. Er machte eine Entdeckung, die dem Bau aller Generatoren der Kraftwerke der Welt zugrunde liegt, die mechanische Energie in elektrische Stromenergie umwandeln. Andere Quellen: Galvanische Zellen, Thermo- und Fotozellen liefern einen vernachlässigbaren Anteil der erzeugten Energie.

Elektrischer Strom, so argumentierte Faraday, ist in der Lage, Eisengegenstände zu magnetisieren. Legen Sie dazu einfach eine Eisenstange in die Spule. Könnte der Magnet wiederum das Auftreten eines elektrischen Stroms verursachen oder seine Stärke ändern? Lange war nichts zu finden.

GESCHICHTE DER ENTDECKUNG DES PHÄNOMENS DER ELEKTROMAGNETISCHEN INDUKTION

Sprüche der Signoren Nobili und Antinori aus der Zeitschrift "Antologie"

« Mr. Faraday hat kürzlich eine neue Klasse elektrodynamischer Phänomene entdeckt. Er reichte eine Abhandlung darüber bei der Royal Society of London ein, aber diese Abhandlung wurde noch nicht veröffentlicht. Wir wissen von ihmnur eine von Herrn A. mitgeteilte AnmerkungAngestellter der Akademie der Wissenschaften in Paris26. Dezember 1831, auf der Grundlage eines Briefes, den er von Mr. Faraday selbst erhalten hat.

Diese Nachricht veranlasste Chevalier Antinori und mich, das grundlegende Experiment sofort zu wiederholen und es von verschiedenen Gesichtspunkten aus zu untersuchen. Wir schmeicheln uns mit der Hoffnung, dass die Ergebnisse, zu denen wir gelangt sind, haben bekannter Wert, und deshalb haben wir es eilig, sie zu veröffentlichen, ohne welche zu habenBisherigeMaterialien, mit Ausnahme der Notiz, die serviert wurde Startpunkt in unserer Forschung.»

„Mr. Faradays Memoiren“, wie es in der Notiz heißt, „sind in vier Teile gegliedert.

In der ersten mit dem Titel „Die Erregung galvanischer Elektrizität“ finden wir die folgende Haupttatsache: Ein galvanischer Strom, der durch einen Metalldraht fließt, erzeugt einen anderen Strom in dem sich nähernden Draht; der zweite Strom ist dem ersten entgegengesetzt gerichtet und dauert nur einen Augenblick. Wenn der Erregerstrom entfernt wird, entsteht in dem Draht unter seinem Einfluss ein Strom, der dem entgegengesetzt ist, der in ihm im ersten Fall entstanden ist, d.h. in die gleiche Richtung wie der Erregerstrom.

Der zweite Teil der Memoiren erzählt von den durch den Magneten verursachten elektrischen Strömen. Indem er sich den Spulenmagneten näherte, erzeugte Mr. Faraday elektrische Ströme; Wenn die Spulen entfernt wurden, entstanden Ströme der entgegengesetzten Richtung. Diese Ströme wirken sich stark auf das Galvanometer aus und fließen, wenn auch schwach, durch Sole und andere Lösungen. Daraus folgt, dass dieser Wissenschaftler mit einem Magneten die von Herrn Ampère entdeckten elektrischen Ströme angeregt hat.

Der dritte Teil der Memoiren bezieht sich auf den elektrischen Grundzustand, den Mr. Faraday den elektromonischen Zustand nennt.

Der vierte Teil spricht von einem ebenso merkwürdigen wie ungewöhnlichen Experiment, das Mr. Arago gehört; dieser Versuch besteht bekanntlich darin, dass sich die Magnetnadel unter dem Einfluss einer rotierenden Metallscheibe dreht. Er fand heraus, dass, wenn sich eine Metallscheibe unter dem Einfluss eines Magneten dreht, elektrische Ströme in einer Menge auftreten können, die ausreicht, um aus der Scheibe eine neue elektrische Maschine zu machen.

MODERNE THEORIE DER ELEKTROMAGNETISCHEN INDUKTION

Elektrische Ströme erzeugen um sie herum ein Magnetfeld. Kann ein Magnetfeld ein elektrisches Feld verursachen? Faraday fand experimentell heraus, dass, wenn sich der magnetische Fluss, der einen geschlossenen Stromkreis durchdringt, ändert, darin ein elektrischer Strom entsteht. Dieses Phänomen wurde als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Der Strom, der während des Phänomens der elektromagnetischen Induktion auftritt, wird als induktiv bezeichnet. Wenn sich der Stromkreis in einem Magnetfeld bewegt, wird genau genommen kein bestimmter Strom erzeugt, sondern eine bestimmte EMK. Eine detailliertere Untersuchung der elektromagnetischen Induktion zeigte, dass die Induktions-EMK, die in jedem geschlossenen Stromkreis auftritt, gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von diesem Stromkreis begrenzte Oberfläche ist, genommen mit dem entgegengesetzten Vorzeichen.

Die elektromotorische Kraft im Stromkreis ist das Ergebnis der Einwirkung äußerer Kräfte, d.h. Kräfte nichtelektrischen Ursprungs. Wenn sich ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, spielt die Lorentz-Kraft die Rolle der äußeren Kräfte, unter deren Wirkung die Ladungen getrennt werden, wodurch an den Enden des Leiters eine Potentialdifferenz auftritt. EMF der Induktion in einem Leiter charakterisiert die Arbeit zum Bewegen einer Einheit positive Ladung entlang des Dirigenten.

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion liegt dem Betrieb elektrischer Generatoren zugrunde. Wenn der Drahtrahmen in einem gleichmäßigen Magnetfeld gleichmäßig gedreht wird, entsteht ein Induktionsstrom, der seine Richtung periodisch ändert. Sogar ein einzelner Rahmen, der sich in einem gleichmäßigen Magnetfeld dreht, ist ein Wechselstromgenerator.

EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNG DER PHÄNOMENE DER ELEKTROMAGNETISCHEN INDUKTION

Betrachten Sie die klassischen Experimente von Faraday, mit deren Hilfe das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckt wurde:

Beim Bewegen eines Permanentmagneten, es Kraftlinien Kreuzen Sie in diesem Fall die Windungen der Spule Induktionsstrom, also weicht die Galvanometernadel ab. Die Messwerte des Geräts hängen von der Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten und von der Anzahl der Windungen der Spule ab.

In diesem Experiment leiten wir einen Strom durch die erste Spule, wodurch ein magnetischer Fluss entsteht, und wenn sich die zweite Spule in der ersten bewegt, entsteht eine Überschneidung magnetische Linien, es fließt also ein induktiver Strom.

Bei der Durchführung von Experiment Nr. 2 wurde aufgezeichnet, dass in dem Moment, in dem der Schalter eingeschaltet wurde, der Pfeil des Geräts abwich und den Wert der EMF anzeigte, dann kehrte der Pfeil in seine ursprüngliche Position zurück. Als der Schalter ausgeschaltet wurde, wich der Pfeil wieder ab, aber in die andere Richtung und zeigte den Wert des EMF und kehrte dann in seine ursprüngliche Position zurück. In dem Moment, in dem der Schalter eingeschaltet wird, steigt der Strom, aber es entsteht eine Art Kraft, die den Stromanstieg verhindert. Diese Kraft induziert sich selbst, daher wurde sie Selbstinduktions-EMK genannt. Zum Zeitpunkt des Abschaltens passiert dasselbe, nur die Richtung der EMF hat sich geändert, sodass der Pfeil des Geräts in die entgegengesetzte Richtung abgewichen ist.

Diese Erfahrung zeigt, dass die EMF der elektromagnetischen Induktion auftritt, wenn sich die Größe und Richtung des Stroms ändern. Dies beweist, dass die EMF der Induktion, die sich selbst erzeugt, die Änderungsrate des Stroms ist.

Innerhalb eines Monats entdeckte Faraday experimentell alle wesentlichen Merkmale des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. Es blieb nur übrig, dem Gesetz eine streng quantitative Form zu geben und es vollständig zu offenbaren körperliche Natur Phänomene. Faraday selbst hat schon in äußerlich anders aussehenden Experimenten das Gemeinsame begriffen, das das Auftreten eines Induktionsstroms bestimmt.

In einem geschlossenen leitenden Kreis entsteht ein Strom, wenn sich die Anzahl der magnetischen Induktionslinien ändert, die die von diesem Kreis begrenzte Fläche durchdringen. Dieses Phänomen wird elektromagnetische Induktion genannt.

Und je schneller sich die Anzahl der magnetischen Induktionslinien ändert, desto größer ist der resultierende Strom. In diesem Fall ist der Grund für die Änderung der Anzahl magnetischer Induktionslinien völlig gleichgültig.

Dies kann eine Änderung der Anzahl magnetischer Induktionslinien sein, die einen festen Leiter aufgrund einer Änderung der Stromstärke in einer benachbarten Spule durchdringen, und eine Änderung der Anzahl der Linien aufgrund der Bewegung des Stromkreises in einem inhomogenen Magnetfeld , deren Liniendichte im Raum variiert.

LENTZ-REGEL

Der im Leiter entstandene induktive Strom beginnt sofort mit dem Strom oder Magneten zu interagieren, der ihn erzeugt hat. Wird ein Magnet (oder eine bestromte Spule) einem geschlossenen Leiter angenähert, so stößt der entstehende Induktionsstrom mit seinem Magnetfeld zwangsläufig den Magneten (Spule) ab. Es muss Arbeit geleistet werden, um den Magneten und die Spule näher zusammenzubringen. Wenn der Magnet entfernt wird, tritt Anziehung auf. Diese Regel wird strikt befolgt. Stellen Sie sich vor, die Dinge wären anders: Sie hätten den Magneten in Richtung der Spule geschoben, und er würde von selbst hineinstürzen. Dies würde den Energieerhaltungssatz verletzen. Immerhin würde die mechanische Energie des Magneten zunehmen und gleichzeitig würde ein Strom entstehen, der an sich den Energieaufwand erfordert, weil der Strom auch Arbeit verrichten kann. Der im Anker des Generators induzierte elektrische Strom verlangsamt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators die Drehung des Ankers. Nur deshalb muss zum Drehen des Ankers Arbeit verrichtet werden, je größer die Stromstärke ist. Aufgrund dieser Arbeit entsteht ein induktiver Strom. Es ist interessant festzustellen, dass, wenn das Magnetfeld unseres Planeten sehr groß und stark inhomogen wäre, schnelle Bewegungen leitender Körper auf seiner Oberfläche und in der Atmosphäre aufgrund der intensiven Wechselwirkung des im Körper induzierten Stroms mit diesem unmöglich wären Feld. Die Körper würden sich wie in einem dichten viskosen Medium bewegen und gleichzeitig stark erhitzt werden. Weder Flugzeuge noch Raketen konnten fliegen. Eine Person könnte weder ihre Arme noch ihre Beine schnell bewegen, da der menschliche Körper ein guter Leiter ist.

Steht die Spule, in der der Strom induziert wird, relativ zur benachbarten Spule mit Wechselstrom fest, wie beispielsweise bei einem Transformator, so ist in diesem Fall die Richtung des Induktionsstroms durch den Energieerhaltungssatz vorgegeben. Dieser Strom wird immer so geleitet, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld dazu neigt, Stromschwankungen in der Primärwicklung zu reduzieren.

Die Abstoßung oder Anziehung eines Magneten durch eine Spule hängt von der Richtung des Induktionsstroms darin ab. Daher erlaubt uns das Energieerhaltungsgesetz, eine Regel zu formulieren, die die Richtung des Induktionsstroms bestimmt. Was ist der Unterschied zwischen den beiden Experimenten: der Annäherung des Magneten an die Spule und seiner Entfernung? Im ersten Fall nimmt der magnetische Fluss (oder die Anzahl der magnetischen Induktionslinien, die die Windungen der Spule durchdringen) zu (Abb. a), im zweiten Fall nimmt er ab (Abb. b). Außerdem kommen im ersten Fall die Induktionslinien B " des Magnetfelds, das durch den in der Spule entstandenen Induktionsstrom erzeugt wird, aus dem oberen Ende der Spule, da die Spule den Magneten abstößt, und im zweiten Fall , im Gegenteil, sie treten in dieses Ende ein.Diese magnetischen Induktionslinien sind in der Figur mit einem Strich gekennzeichnet.

Jetzt sind wir zum Hauptpunkt gekommen: Mit einer Erhöhung des magnetischen Flusses durch die Windungen der Spule hat der Induktionsstrom eine solche Richtung, dass das von ihm erzeugte Magnetfeld das Wachstum des magnetischen Flusses durch die Windungen der Spule verhindert. Denn der Induktionsvektor dieses Feldes ist gegen den Feldinduktionsvektor gerichtet, dessen Änderung einen elektrischen Strom erzeugt. Wenn der magnetische Fluss durch die Spule schwächer wird, erzeugt der induktive Strom ein Magnetfeld mit Induktion, das den magnetischen Fluss durch die Windungen der Spule erhöht.

Dies ist der Kern der allgemeinen Regel zur Bestimmung der Richtung des induktiven Stroms, die in allen Fällen gilt. Diese Regel wurde vom russischen Physiker E.X. Lenz (1804-1865).

Gemäß der Regel von Lenz hat der in einem geschlossenen Stromkreis auftretende induktive Strom eine solche Richtung, dass der von ihm erzeugte magnetische Fluss durch die vom Stromkreis begrenzte Oberfläche dazu neigt, die Änderung des Flusses zu verhindern, der diesen Strom erzeugt. Oder der Induktionsstrom hat eine solche Richtung, dass er die ihn verursachende Ursache verhindert.

Bei Supraleitern ist die Kompensation von Änderungen des äußeren magnetischen Flusses vollständig. Der magnetische Induktionsfluss durch eine von einem supraleitenden Schaltkreis begrenzte Oberfläche ändert sich mit der Zeit unter keinen Umständen.

GESETZ DER ELEKTROMAGNETISCHEN INDUKTION

elektromagnetische induktion faraday lenz

Faradays Experimente zeigten, dass die Stärke des induzierten Stroms ich i in einem leitenden Stromkreis ist proportional zur Änderungsrate der Anzahl magnetischer Induktionslinien, die die von diesem Stromkreis begrenzte Oberfläche durchdringen. Genauer lässt sich diese Aussage mit dem Begriff des magnetischen Flusses formulieren.

Der magnetische Fluss wird eindeutig als die Anzahl der magnetischen Induktionslinien interpretiert, die eine Oberfläche mit einer Fläche durchdringen S. Daher ist die Änderungsrate dieser Zahl nichts anderes als die Änderungsrate des magnetischen Flusses. Wenn in kurzer Zeit t Magnetfluss ändert sich zu D F, dann ist die Änderungsrate des magnetischen Flusses gleich.

Daher kann eine Aussage, die direkt aus der Erfahrung folgt, wie folgt formuliert werden:

Die Stärke des Induktionsstroms ist proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von der Kontur begrenzte Oberfläche:

Denken Sie daran, dass im Stromkreis ein elektrischer Strom entsteht, wenn äußere Kräfte auf freie Ladungen einwirken. Die Arbeit dieser Kräfte beim Bewegen einer einzelnen positiven Ladung entlang eines geschlossenen Stromkreises wird als elektromotorische Kraft bezeichnet. Wenn sich also der magnetische Fluss durch die von der Kontur begrenzte Oberfläche ändert, treten darin äußere Kräfte auf, deren Wirkung durch eine EMF gekennzeichnet ist, die als Induktions-EMK bezeichnet wird. Bezeichnen wir es mit dem Buchstaben E ich .

Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion ist speziell für EMF und nicht für die Stromstärke formuliert. Mit dieser Formulierung drückt das Gesetz das Wesen des Phänomens aus, das nicht von den Eigenschaften der Leiter abhängt, in denen der Induktionsstrom auftritt.

Gemäß dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion (EMI) ist die EMF der Induktion in einer geschlossenen Schleife im Absolutwert gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von der Schleife begrenzte Oberfläche:

Wie kann die Richtung des Induktionsstroms (oder das Vorzeichen der Induktions-EMK) im Gesetz der elektromagnetischen Induktion gemäß der Lenz-Regel berücksichtigt werden?

Die Abbildung zeigt eine geschlossene Schleife. Wir betrachten die Richtung der Umgehung der Kontur gegen den Uhrzeigersinn als positiv. Die Normale zur Kontur bildet mit der Umgehungsrichtung eine rechte Schnecke. Das Vorzeichen der EMF, d. h. der spezifischen Arbeit, hängt von der Richtung der äußeren Kräfte in Bezug auf die Richtung der Umgehung des Stromkreises ab.

Wenn diese Richtungen übereinstimmen, dann E i > 0 und dementsprechend ich i > 0. Andernfalls sind EMK und Stromstärke negativ.

Die magnetische Induktion des äußeren Magnetfeldes sei entlang der Normalen zur Kontur gerichtet und steige mit der Zeit. Dann F> 0 und > 0. Nach der Regel von Lenz erzeugt der Induktionsstrom einen magnetischen Fluss F" < 0. Линии индукции B"Das Magnetfeld des Induktionsstroms ist in der Abbildung mit einem Strich dargestellt. Daher der Induktionsstrom ich i ist im Uhrzeigersinn gerichtet (gegen die positive Bypass-Richtung) und die Induktions-EMK ist negativ. Daher muss im Gesetz der elektromagnetischen Induktion ein Minuszeichen stehen:

BEIM internationales System Einheiten wird das Gesetz der elektromagnetischen Induktion verwendet, um die Einheit des magnetischen Flusses festzulegen. Diese Einheit wird Weber (Wb) genannt.

Da die EMF der Induktion E i wird in Volt ausgedrückt und die Zeit in Sekunden, dann kann aus dem Weber-EMP-Gesetz wie folgt bestimmt werden:

Der magnetische Fluss durch die von einer geschlossenen Schleife begrenzte Oberfläche beträgt 1 Wb, wenn bei einer gleichmäßigen Abnahme dieses Flusses in 1 s auf Null eine Induktions-EMK von 1 V im Stromkreis auftritt: 1 Wb \u003d 1 V 1 s .

PRAKTISCHE ANWENDUNG DER PHÄNOMENE DER ELEKTROMAGNETISCHEN INDUKTION

Rundfunk

Ein magnetisches Wechselfeld, angeregt durch einen wechselnden Strom, erzeugt im umgebenden Raum ein elektrisches Feld, das wiederum ein magnetisches Feld anregt, und so weiter. Diese Felder erzeugen sich gegenseitig und bilden ein einziges variables elektromagnetisches Feld - Elektromagnetische Welle. Das elektromagnetische Feld, das an der Stelle entstanden ist, an der Strom fließt, breitet sich im Weltraum mit Lichtgeschwindigkeit von -300.000 km/s aus.

Magnetfeldtherapie

Im Frequenzspektrum verschiedene Orte besetzt durch Radiowellen, Licht, Röntgenstrahlen und andere elektromagnetische Strahlung. Sie sind in der Regel durch ständig miteinander verbundene elektrische und magnetische Felder gekennzeichnet.

Synchrophasotrons

Unter einem Magnetfeld versteht man derzeit eine spezielle Form von Materie, die aus geladenen Teilchen besteht. In der modernen Physik werden Strahlen geladener Teilchen verwendet, um tief in Atome einzudringen, um sie zu untersuchen. Die Kraft, mit der ein Magnetfeld auf ein bewegtes geladenes Teilchen wirkt, wird als Lorentzkraft bezeichnet.

Durchflussmesser - Meter

Das Verfahren basiert auf der Anwendung des Faradayschen Gesetzes für einen Leiter in einem Magnetfeld: In der Strömung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die sich in einem Magnetfeld bewegt, wird eine EMK proportional zur Strömungsgeschwindigkeit induziert, die von der Elektronik in umgewandelt wird ein elektrisches analoges / digitales Signal.

Gleichstromgenerator

Im Generatorbetrieb dreht sich der Anker der Maschine unter dem Einfluss eines äußeren Moments. Zwischen den Polen des Stators gibt es einen konstanten magnetischen Fluss, der den Anker durchdringt. Die Ankerwicklungsleiter bewegen sich in einem Magnetfeld und daher wird in ihnen eine EMF induziert, deren Richtung durch die Regel bestimmt werden kann " rechte Hand". In diesem Fall entsteht an einer Bürste relativ zur zweiten ein positives Potential. Wenn eine Last an die Generatorklemmen angeschlossen wird, fließt darin ein Strom.

Das EMR-Phänomen ist in Transformatoren weit verbreitet. Betrachten wir dieses Gerät genauer.

TRANSFORMER

Transformator (von lat. transformo - transformieren) - statisch elektromagnetisches Gerät mit zwei oder mehr induktiv gekoppelten Wicklungen und dazu bestimmt, durch elektromagnetische Induktion von einem oder mehreren Wechselstromsystemen in ein oder mehrere andere Wechselstromsysteme umgewandelt zu werden.

Der Erfinder des Transformators ist der russische Wissenschaftler P.N. Jablotschkow (1847 - 1894). 1876 verwendete Yablochkov eine Induktionsspule mit zwei Wicklungen als Transformator, um die von ihm erfundenen elektrischen Kerzen mit Strom zu versorgen. Der Yablochkov-Transformator hatte einen offenen Kern. Transformatoren mit geschlossenem Kern, ähnlich denen, die heute verwendet werden, erschienen viel später, im Jahr 1884. Mit der Erfindung des Transformators entstand ein technisches Interesse am Wechselstrom, der bis dahin noch keine Anwendung gefunden hatte.

Transformatoren werden häufig bei der Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen, ihrer Verteilung zwischen Empfängern sowie in verschiedenen Gleichrichtungs-, Verstärkungs-, Signalisierungs- und anderen Geräten verwendet.

Die Energieumwandlung im Transformator erfolgt durch ein magnetisches Wechselfeld. Der Transformator ist ein Kern aus dünnen, voneinander isolierten Stahlplatten, auf dem zwei und manchmal mehr Wicklungen (Spulen) aus isoliertem Draht angeordnet sind. Die Wicklung, an die die elektrische Wechselstromquelle angeschlossen ist, wird als Primärwicklung bezeichnet, die übrigen Wicklungen werden als Sekundärwicklungen bezeichnet.

Wenn in der Sekundärwicklung des Transformators dreimal mehr Windungen gewickelt sind als in der Primärwicklung, erzeugt das von der Primärwicklung im Kern erzeugte Magnetfeld, das die Windungen der Sekundärwicklung kreuzt, darin dreimal mehr Spannung.

Mit einem Transformator mit umgekehrtem Windungsverhältnis können Sie genauso einfach und einfach eine reduzierte Spannung erhalten.

Beimideale Transformatorgleichung

Ein idealer Transformator ist ein Transformator, der keine Energieverluste zum Aufheizen der Wicklungen und Wicklungsstreuflüsse aufweist. In einem idealen Transformator verlaufen alle Kraftlinien durch alle Windungen beider Wicklungen, und da das sich ändernde Magnetfeld in jeder Windung die gleiche EMF erzeugt, ist die in der Wicklung induzierte Gesamt-EMK proportional zur Gesamtzahl ihrer Windungen. Ein solcher Transformator wandelt alle eingehende Energie aus dem Primärkreis in ein Magnetfeld und dann in die Energie des Sekundärkreises um. In diesem Fall ist die zugeführte Energie gleich der umgewandelten Energie:

Wobei P1 der Momentanwert der Leistung ist, die dem Transformator vom Primärkreis zugeführt wird,

P2 ist der Momentanwert der vom Transformator umgewandelten Leistung, die in den Sekundärkreis gelangt.

Wenn wir diese Gleichung mit dem Verhältnis der Spannungen an den Enden der Wicklungen kombinieren, erhalten wir die Gleichung für einen idealen Transformator:

Somit erhalten wir, dass mit einer Erhöhung der Spannung an den Enden der Sekundärwicklung U2 der Strom des Sekundärkreises I2 abnimmt.

Um den Widerstand eines Stromkreises in den Widerstand eines anderen umzuwandeln, müssen Sie den Wert mit dem Quadrat des Verhältnisses multiplizieren. Beispielsweise wird der Widerstand Z2 mit den Enden der Sekundärwicklung verbunden, sein reduzierter Wert zum Primärkreis wird sein

Diese Regel gilt auch für den Sekundärkreis:

Bezeichnung auf den Diagrammen

In den Diagrammen ist der Transformator wie folgt angegeben:

Die mittlere dicke Linie entspricht dem Kern, 1 ist die Primärwicklung (normalerweise links), 2.3 sind die Sekundärwicklungen. Die Anzahl der Halbkreise symbolisiert in grober Annäherung die Anzahl der Windungen der Wicklung (mehr Windungen - mehr Halbkreise, aber ohne strenge Proportionalität).

TRANSFORMATOR-ANWENDUNGEN

Transformatoren werden in Industrie und Alltag für verschiedene Zwecke eingesetzt:

1. Zur Übertragung und Verteilung elektrischer Energie.

Typischerweise erzeugen Wechselstromgeneratoren in Kraftwerken elektrische Energie mit einer Spannung von 6-24 kV und übertragen Strom Fern vorteilhaft bei viel höheren Spannungen (110, 220, 330, 400, 500 und 750 kV). Daher werden in jedem Kraftwerk Transformatoren installiert, die die Spannung erhöhen.

Verteilung elektrischer Energie zwischen Industriebetrieben, Siedlungen, Städten u ländliche Gebiete, sowie in Industriebetrieben wird es über Freileitungen und Kabelleitungen mit einer Spannung von 220, 110, 35, 20, 10 und 6 kV erzeugt. Daher müssen in allen Verteilerknoten Transformatoren installiert werden, die die Spannung auf 220, 380 und 660 V reduzieren

2. Bereitstellung der gewünschten Beschaltung zum Schalten von Ventilen in Stromrichtergeräten und Anpassen der Spannung am Ausgang und Eingang des Stromrichters. Transformatoren, die für diese Zwecke verwendet werden, werden als Transformatoren bezeichnet.

3. Für verschiedene technologische Zwecke: Schweißen (Schweißtransformatoren), Stromversorgung von elektrothermischen Anlagen (Elektroofentransformatoren) usw.

4. Zur Stromversorgung verschiedener Stromkreise von Funkgeräten, elektronischen Geräten, Kommunikations- und Automatisierungsgeräten, Haushaltsgeräten, zum Trennen von Stromkreisen verschiedene Elemente dieser Geräte, zur Spannungsanpassung usw.

5. Einbau elektrischer Messgeräte und einiger Geräte (Relais usw.) in elektrische Hochspannungskreise oder in Kreise, durch die große Ströme fließen, um die Messgrenzen zu erweitern und die elektrische Sicherheit zu gewährleisten. Transformatoren, die für diese Zwecke verwendet werden, werden als Messen bezeichnet.

FAZIT

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und ihre Spezialfälle sind in der Elektrotechnik weit verbreitet. Wird verwendet, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln Synchrongeneratoren . Transformatoren werden zum Herauf- oder Heruntertransformieren von Wechselspannung verwendet. Der Einsatz von Transformatoren ermöglicht den wirtschaftlichen Stromtransport von Kraftwerken zu Verbrauchsknoten.

REFERENZLISTE:

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7. Physik - Lehrbuch für technische Schulen, Autor V.F. Dmitriev, Ausgabe Moskau "Higher School" 2004.

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Beschriftungen der Folien:

Elektromagnetische Induktion in der modernen Technologie Durchgeführt von Schülern der Klasse 11 "A" MOUSOSH Nr. 2 der Stadt Suworow Khnykov Igor, Khudoley Andrey

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion wurde am 29. August 1831 von Michael Faraday entdeckt. Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion besteht darin, dass ein elektrischer Strom in einem leitenden Stromkreis auftritt, der entweder in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld ruht oder sich in einem konstanten Magnetfeld so bewegt, dass die Anzahl der magnetischen Induktionslinien den Schaltung ändert.

Die EMF der elektromagnetischen Induktion in einer geschlossenen Schleife ist numerisch gleich und hat ein entgegengesetztes Vorzeichen zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die von dieser Schleife begrenzte Oberfläche. Die Richtung des Induktionsstroms (sowie die Größe der EMF) wird als positiv angesehen, wenn sie mit der ausgewählten Richtung zum Umgehen des Stromkreises übereinstimmt.

Faraday-Experiment Ein Permanentmagnet wird in eine mit einem Galvanometer verbundene Spule eingeführt oder daraus entfernt. Wenn sich der Magnet im Stromkreis bewegt, entsteht ein elektrischer Strom.Innerhalb eines Monats entdeckte Faraday experimentell alle wesentlichen Merkmale des Phänomens der elektromagnetischen Induktion. Derzeit können Faradays Experimente von jedem durchgeführt werden.

Hauptquelle elektromagnetisches Feld Als Hauptquellen des elektromagnetischen Feldes können identifiziert werden: Stromleitungen. Verkabelung (innerhalb von Gebäuden und Strukturen). Elektrische Haushaltsgeräte. Persönliche Computer. Fernseh- und Rundfunksender. Satelliten- und Mobilfunkkommunikation (Geräte, Repeater). Elektrischer Transport. Radaranlagen.

Stromleitungen Die Drähte einer in Betrieb befindlichen Stromleitung erzeugen ein elektromagnetisches Feld mit industrieller Frequenz (50 Hz) im angrenzenden Raum (in Abständen in der Größenordnung von mehreren zehn Metern von der Leitung). Außerdem kann die Feldstärke in der Nähe der Leitung je nach elektrischer Belastung über einen weiten Bereich schwanken. Tatsächlich werden die Grenzen der Sanitärschutzzone entlang der Grenzlinie festgelegt, die am weitesten von den Drähten der maximalen elektrischen Feldstärke von 1 kV / m entfernt ist.

Elektrische Verkabelung Elektrische Verkabelung umfasst: Stromkabel für den Aufbau von Lebenserhaltungssystemen, Stromverteilungskabel sowie Abzweigtafeln, Stromkästen und Transformatoren. Elektrische Leitungen sind die Hauptquelle des elektromagnetischen Feldes mit industrieller Frequenz in Wohngebäuden. In diesem Fall ist die Höhe der von der Quelle emittierten elektrischen Feldstärke oft relativ gering (übersteigt 500 V/m nicht).

Elektrische Haushaltsgeräte Quellen elektromagnetischer Felder sind alle Haushaltsgeräte, die mit elektrischem Strom betrieben werden. Dabei schwankt die Strahlungsstärke je nach Modell, Gerät und spezifischer Betriebsweise in den weitesten Bereichen. Außerdem hängt die Höhe der Strahlung stark von der Leistungsaufnahme des Geräts ab – je höher die Leistung, desto höher der Pegel des elektromagnetischen Felds während des Betriebs des Geräts. Die elektrische Feldstärke in der Nähe von Haushaltsgeräten überschreitet nicht mehrere zehn V/m.

Personal Computer Die Hauptquelle gesundheitsschädlicher Auswirkungen für einen Computerbenutzer ist das visuelle Anzeigegerät (VOD) des Monitors. Ein Personal Computer kann neben dem Monitor und der Systemeinheit noch eine Vielzahl weiterer Geräte (zB Drucker, Scanner, Netzwerkfilter etc.) enthalten. Alle diese Geräte arbeiten mit elektrischem Strom, was bedeutet, dass sie Quellen eines elektromagnetischen Feldes sind.

Das elektromagnetische Feld von PCs hat die komplexeste Wellen- und Spektralzusammensetzung und ist schwer zu messen und zu quantifizieren. Es hat magnetische, elektrostatische und Strahlungskomponenten (insbesondere das elektrostatische Potential einer Person, die vor einem Monitor sitzt, kann zwischen -3 und +5 V liegen). Angesichts der Tatsache, dass Personal Computer jetzt in allen Branchen aktiv eingesetzt werden Menschliche Aktivität, ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit unterliegen einer sorgfältigen Untersuchung und Kontrolle

Fernseh- und Radiosendestationen Auf dem Territorium Russlands befindet sich derzeit eine beträchtliche Anzahl von Radiosendestationen und Zentren verschiedener Zugehörigkeiten. Sendestationen und -zentren befinden sich in speziell für sie ausgewiesenen Zonen und können ziemlich große Gebiete (bis zu 1000 ha) einnehmen. Sie umfassen ihrer Struktur nach ein oder mehrere Technikgebäude, in denen sich Funksender befinden, und Antennenfelder, auf denen sich bis zu mehreren Dutzend Antennen-Speiseanlagen (AFS) befinden. Jedes System umfasst eine strahlende Antenne und eine Speiseleitung, die das Rundfunksignal bringt.

Satellitenkommunikation Satellitenkommunikationssysteme bestehen aus einer Sendestation auf der Erde und Satelliten - Repeater im Orbit. Sendende Ssenden einen eng gerichteten Wellenstrahl aus, dessen Energieflussdichte Hunderte von W/m erreicht. Satellitenkommunikationssysteme erzeugen in beträchtlichen Abständen von Antennen hohe elektromagnetische Feldstärken. Beispielsweise erzeugt eine Station mit einer Leistung von 225 kW, die bei einer Frequenz von 2,38 GHz arbeitet, eine Energieflussdichte von 2,8 W/m2 in einer Entfernung von 100 km. Die Streuung der Energie relativ zum Hauptstrahl ist sehr gering und tritt vor allem im Bereich der direkten Platzierung der Antenne auf.

Zellulare Kommunikation Die zellulare Funktelefonie ist heute eines der sich am intensivsten entwickelnden Telekommunikationssysteme. Die wichtigsten Elemente des Systems zellulare Kommunikation sind Basisstationen und Mobilfunktelefone. Basisstationen halten die Funkkommunikation mit Mobilgeräten aufrecht, wodurch sie Quellen eines elektromagnetischen Felds sind. Das System nutzt das Prinzip der Einteilung des Versorgungsgebiets in Zonen oder sogenannte "Zellen" mit einem Radius von km.

Die Strahlungsintensität der Basisstation wird durch die Last bestimmt, dh die Anwesenheit von Besitzern Handys im Versorgungsgebiet einer bestimmten Basisstation und deren Wunsch, das Telefon für ein Gespräch zu nutzen, was wiederum grundlegend von der Tageszeit, dem Standort der Station, dem Wochentag und anderen Faktoren abhängt. Nachts ist die Belastung der Stationen nahezu Null. Die Strahlungsintensität mobiler Geräte hängt maßgeblich vom Zustand des Kommunikationskanals "Mobilfunk - Basisstation" ab (je größer der Abstand zur Basisstation, desto höher die Strahlungsintensität des Gerätes).

Elektrische Verkehrsmittel Elektrische Verkehrsmittel (Oberleitungsbusse, Straßenbahnen, U-Bahnen usw.) sind eine starke Quelle elektromagnetischer Felder im Hz-Frequenzbereich. Gleichzeitig fungiert in den allermeisten Fällen der Traktionselektromotor als Hauptemitter (bei Trolleybussen und Straßenbahnen konkurrieren Luftstromkollektoren mit dem Elektromotor hinsichtlich der Stärke des abgestrahlten elektrischen Feldes).

Radaranlagen Radar- und Radaranlagen haben in der Regel Reflektorantennen („Dishes“) und strahlen einen eng gerichteten Funkstrahl aus. Eine periodische Bewegung der Antenne im Raum führt zu einer räumlichen Diskontinuität der Strahlung. Es gibt auch eine vorübergehende Unterbrechung der Strahlung aufgrund des zyklischen Betriebs des Radars für Strahlung. Sie arbeiten mit Frequenzen von 500 MHz bis 15 GHz, aber einige spezielle Installationen können mit Frequenzen bis zu 100 GHz oder mehr betrieben werden. Aufgrund der besonderen Art der Strahlung können sie am Boden Zonen mit hoher Energieflussdichte (100 W/m2 oder mehr) erzeugen.

Metalldetektoren Technologisch basiert das Funktionsprinzip eines Metalldetektors auf dem Phänomen der Registrierung eines elektromagnetischen Feldes, das um jeden metallischen Gegenstand entsteht, wenn er in ein elektromagnetisches Feld gebracht wird. Dieses sekundäre elektromagnetische Feld unterscheidet sich sowohl in der Intensität (Feldstärke) als auch in anderen Parametern. Diese Parameter hängen von der Größe des Objekts und seiner Leitfähigkeit (Gold und Silber haben eine viel bessere Leitfähigkeit als beispielsweise Blei) und natürlich von der Entfernung zwischen der Metalldetektorantenne und dem Objekt selbst (Auftrittstiefe) ab.

Die obige Technologie bestimmte die Zusammensetzung des Metalldetektors: Er besteht aus vier Hauptblöcken: einer Antenne (manchmal sind die Sende- und Empfangsantennen unterschiedlich, und manchmal handelt es sich um dieselbe Antenne), einer elektronischen Verarbeitungseinheit, einer Informationsausgabeeinheit (visuell - LCD-Display oder Pfeilanzeige und Audio - Lautsprecher- oder Kopfhöreranschluss) und Stromversorgung.

Metalldetektoren sind: Durchsuchung Inspektion Für Bauzwecke

Suche Dieser Metalldetektor wurde entwickelt, um nach allen Arten von Metallgegenständen zu suchen. Dies sind in der Regel die größten in Bezug auf Größe, Kosten und natürlich in Bezug auf die Funktionen des Modells. Dies liegt daran, dass Sie manchmal Objekte in einer Tiefe von bis zu mehreren Metern in der Dicke der Erde finden müssen. Eine leistungsstarke Antenne ist in der Lage, ein starkes elektromagnetisches Feld zu erzeugen und selbst kleinste Strömungen in großen Tiefen mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen. Beispielsweise entdeckt ein Suchmetalldetektor eine Metallmünze in einer Tiefe von 2-3 Metern in der Erde, die sogar eisenhaltige geologische Verbindungen enthalten kann.

Inspektionskameras Werden von Sonderdiensten, Zollbeamten und Sicherheitsbeamten verschiedener Organisationen verwendet, um nach Metallgegenständen (Waffen, Edelmetalle, Drähte von Sprengkörpern usw.), die am Körper und in der Kleidung einer Person versteckt sind. Diese Metalldetektoren zeichnen sich durch Kompaktheit, Benutzerfreundlichkeit und das Vorhandensein von Modi wie der leisen Vibration des Griffs aus (damit die gesuchte Person nicht weiß, dass der Suchbeamte etwas gefunden hat). Der Erfassungsbereich (Tiefe) einer Rubelmünze in solchen Metalldetektoren beträgt 10-15 cm.

Weit verbreitet sind auch gewölbte Metalldetektoren, die äußerlich einem Bogen ähneln und erfordern, dass eine Person hindurchgeht. Entlang ihrer vertikalen Wände sind hochempfindliche Antennen verlegt, die Metallobjekte auf allen Ebenen des menschlichen Wachstums erkennen. Sie werden normalerweise vor kulturellen Unterhaltungsstätten, in Banken, Institutionen usw. installiert. Das Hauptmerkmal von gewölbten Metalldetektoren ist die hohe Empfindlichkeit (einstellbar) und die hohe Geschwindigkeit der Personenflussverarbeitung.

Für Bauzwecke Diese Klasse von Metalldetektoren hilft Bauherren mit Hilfe von Ton- und Lichtalarmen beim Auffinden Metallrohre, Struktur- oder Antriebselemente, die sich sowohl in der Dicke der Wände als auch hinter Trennwänden und Zwischenwänden befinden. Manche Metalldetektoren für Bauzwecke werden oft mit Detektoren in einem Gerät kombiniert Holzkonstruktion, Spannungsprüfer an stromführenden Leitungen, Lecksucher usw.

Wir wissen bereits, dass ein elektrischer Strom, der sich durch einen Leiter bewegt, ein Magnetfeld um ihn herum erzeugt. Auf der Grundlage dieses Phänomens hat der Mensch eine große Vielfalt von Elektromagneten erfunden und verwendet diese in großem Umfang. Es stellt sich jedoch die Frage: Wenn sich bewegende elektrische Ladungen das Auftreten eines Magnetfelds verursachen, funktioniert dies jedoch nicht und umgekehrt?

Das heißt, kann ein Magnetfeld bewirken, dass ein elektrischer Strom in einem Leiter fließt? 1831 stellte Michael Faraday fest, dass ein elektrischer Strom in einem geschlossenen leitenden Stromkreis erzeugt wird, wenn sich ein Magnetfeld ändert. Ein solcher Strom wurde Induktionsstrom genannt, und das Phänomen des Auftretens eines Stroms in einem geschlossenen leitenden Stromkreis mit einer Änderung des Magnetfelds, das diesen Stromkreis durchdringt, wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet.

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion

Der Name „elektromagnetisch“ selbst besteht aus zwei Teilen: „elektro“ und „magnetisch“. Elektrische und magnetische Phänomene sind untrennbar miteinander verbunden. Und wenn die sich bewegenden elektrischen Ladungen das Magnetfeld um sie herum verändern, dann bringt das sich ändernde Magnetfeld wohl oder übel die elektrischen Ladungen in Bewegung und bildet einen elektrischen Strom.

In diesem Fall ist es das sich ändernde Magnetfeld, das das Auftreten eines elektrischen Stroms verursacht. Ein konstantes Magnetfeld verursacht keine Bewegung elektrischer Ladungen, und dementsprechend bildet sich kein Induktionsstrom. Eine nähere Betrachtung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion, der Herleitung von Formeln und des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion bezieht sich auf den Verlauf der neunten Klasse.

Anwendung der elektromagnetischen Induktion

In diesem Artikel werden wir über die Verwendung von elektromagnetischer Induktion sprechen. Der Betrieb vieler Motoren und Stromgeneratoren basiert auf der Nutzung der Gesetze der elektromagnetischen Induktion. Das Prinzip ihrer Arbeit ist recht einfach zu verstehen.

Eine Änderung des Magnetfeldes kann beispielsweise durch die Bewegung eines Magneten verursacht werden. Wenn also ein Magnet durch den Einfluss Dritter in einen geschlossenen Stromkreis bewegt wird, tritt in diesem Stromkreis ein Strom auf. So können Sie einen Stromgenerator erstellen.

Wenn wir im Gegensatz dazu Strom von einer Drittquelle durch den Stromkreis lassen, beginnt sich der Magnet im Stromkreis unter dem Einfluss eines von gebildeten Magnetfelds zu bewegen elektrischer Schock. Auf diese Weise kann ein Elektromotor zusammengebaut werden.

Die oben beschriebenen Stromgeneratoren wandeln in Kraftwerken mechanische Energie in elektrische Energie um. Mechanische Energie ist die Energie von Kohle, Dieselkraftstoff, Wind, Wasser und so weiter. Strom wird über Leitungen zu den Verbrauchern geleitet und dort in Elektromotoren wieder in mechanische Energie umgewandelt.

Die Elektromotoren von Staubsaugern, Haartrocknern, Mixern, Kühlboxen, elektrischen Fleischwölfen und zahlreichen anderen Geräten, die wir täglich nutzen, basieren auf der Nutzung elektromagnetischer Induktion und magnetischer Kräfte. Über die Verwendung dieser Phänomene in der Industrie muss nicht gesprochen werden, es ist klar, dass sie allgegenwärtig sind.