vaihtelevien magneettikenttien vaikutukset

Itseinduktanssi ja keskinäisinduktanssi

piirin itseinduktanssia käytetään kuvaamaan piirin reaktiota vaihtuvaan virtaan piirissä, kun taas keskinäisinduktanssi suhteessa toiseen piiriin kuvaa reaktiota vaihtuvaan virtaan toisessa piirissä. Kun virta i1 virtaa piirissä 1, i1 tuottaa magneettikentän B1; virran i1 aiheuttama magneettivuo piirin 1 läpi on Φ11. Koska B1 on verrannollinen I1: een, Φ11 on myös. Suhteellisuusvakio on piirin itseinduktanssi L1. Se määritellään yhtälöllä

induktanssin yksiköt ovat henrys. Jos toinen piiri on olemassa, osa kentästä B1 kulkee piirin 2 läpi ja piirissä 2 on magneettivuo Φ21 johtuen virrasta i1. Keskinäisinduktanssi M21 saadaan

piirin 1 magneettivuo, joka johtuu virtapiirissä 2 olevasta virrasta, saadaan Φ12 = M12i2. Keskinäisinduktanssin tärkeä ominaisuus on, että M21 = M12. Näin ollen riittää, että kahden piirin keskinäisinduktanssille käytetään merkintää M ilman alaindeksejä.

kahden piirin keskinäisen induktanssin arvo voi vaihdella√L1L2: n +Neliöjuuresta√L1L2: n neliöjuureen riippuen piirien välisestä vuon yhteydestä. Jos kaksi piiriä ovat hyvin kaukana toisistaan tai jos yhden piirin kentässä ei ole magneettivuo toisen piirin läpi, keskinäisinduktanssi on nolla. Kahden piirin keskinäisinduktanssin suurinta mahdollista arvoa lähestytään, kun kaksi piiriä tuottavat B-kenttiä, joiden tilakokonaisuudet ovat yhä samankaltaisempia.

Jos termeille otetaan ajan suhteen muutosnopeus yhtälön (2) molemmin puolin, tuloksena on dΦ11/dt = L1di1 / dt. Faradayn lain mukaan dφ11 / dt on indusoidun sähkömotorisen voiman negatiivinen. Tuloksena on usein käytetty yhtälö yhdelle induktorille VAIHTOVIRTAPIIRISSÄ-eli

itseinduktioilmiön tunnisti ensimmäisenä amerikkalainen tiedemies Joseph Henry. Hän pystyi luomaan suuria ja näyttäviä valokaaria katkaisemalla virran suuressa kuparikelassa monilla kierroksilla. Vaikka kelassa virtaa tasainen virta, magneettikentän energia saadaan 1/2li2: lla. Jos sekä Induktanssi L että virta i ovat suuria, myös energiamäärä on suuri. Jos virta katkeaa, kuten esimerkiksi avaamalla veitsenteräkytkin, virta ja sitä kautta käämin läpi kulkeva magneettivuo putoavat nopeasti. Yhtälö (4) kuvaa kelassa indusoitua sähkömotorista voimaa, ja Kytkimen kahden Napan välille kehittyy suuri potentiaaliero. Kelan magneettikenttään varastoitunut energia haihtuu lämpönä ja säteilynä valokaaressa Kytkimen napojen välisen tilan poikki. Sähkömagneettien suprajohtavien johtojen kehittymisen vuoksi on mahdollista käyttää suuria magneetteja, joiden magneettikentät ovat useita Tesloja, sähköenergian väliaikaiseen varastoimiseen energiaksi magneettikentässä. Näin pyritään sopeutumaan lyhytaikaisiin sähkönkulutuksen vaihteluihin.

muuntaja on esimerkki laitteesta, joka käyttää piirejä, joilla on maksimaalinen keskinäinen induktio. Kuva 5 kuvaa tyypillisen muuntajan kokoonpanoa. Täällä, kelat eristetty johtava lanka kierretään ympäri rengas rautaa rakennettu ohut eristetty laminoinnit tai arkkia. Laminoinnit minimoivat pyörrevirrat raudassa. Pyörrevirrat ovat metalliin muuttuvan magneettikentän indusoimia kiertovirtauksia. Nämä virtaukset tuottavat ei-toivottua sivutuotetta—lämpöä rautaan. Muuntajan energiahäviötä voidaan vähentää käyttämällä ohuempia laminointeja, hyvin ”pehmeää” (vähähiilistä) rautaa ja lankaa, joilla on suurempi poikkileikkaus, tai käämimällä ensiö-ja toisiopiirit johtimilla, joilla on hyvin alhainen vastus. Valitettavasti lämpöhäviön vähentäminen lisää muuntajien kustannuksia. Sähkön siirtämiseen ja jakeluun käytetyt muuntajat ovat yleisesti 98-99-prosenttisen tehokkaita. Pyörrevirrat ovat ongelma muuntajissa, mutta niistä on hyötyä esineiden kuumentamisessa tyhjiössä. Pyörrevirrat indusoidaan kuumennettavaan kappaleeseen ympäröimällä suhteellisen johtamaton tyhjiökotelo kelalla, joka kuljettaa suurtaajuista vaihtovirtaa.

muuntajassa rauta varmistaa, että lähes kaikki yhden piirin läpi kulkevat B-viivat kulkevat myös toisen piirin läpi ja että käytännössä kaikki magneettivuo rajoittuu rautaan. Johtavien kelojen jokaisella kierroksella on sama magneettivuo; siten kunkin kelan kokonaisvuo on verrannollinen Kelan kierrosten määrään. Tämän seurauksena, jos yhteen Kelaan liitetään sinusoidaalisesti vaihtelevan sähkömotorisen voiman lähde, saadaan toisen kelan sähkömotorinen voima

näin ollen, riippuen N2: n ja N1: n suhteesta (jossa N1 ja N2 ovat ensimmäisen ja toisen kelan kierrosten lukumäärä), muuntaja voi olla joko step-up tai step-down-laite vaihtojännitteille. Monista syistä, mukaan lukien turvallisuus, sähköenergian tuotanto ja kulutus tapahtuvat suhteellisen alhaisilla jännitteillä. Step-up-muuntajia käytetään suurten jännitteiden saamiseksi ennen sähkönsiirtoa, sillä tietyn määrän tehoa siirtolinjojen virta on paljon pienempi. Tämä minimoi johtimien resistiivisen kuumentamisen menettämän energian.

Faradayn laki muodostaa perustan voimateollisuudelle ja mekaanisen energian muuntamiselle sähköenergiaksi. Vuonna 1821, vuosikymmen ennen magneettisen induktion löytämistään, Faraday teki kokeita kompassineulojen ympärillä pyörivillä sähköjohdoilla. Tämä aikaisempi työ, jossa magnetoidun neulan ja magneettisen neulan ympäri pyörivä virtaa kantava Lanka saatiin pyörimään sähkövirtaa kantavan langan ympäri, antoi pohjan sähkömoottorin kehittämiselle.