efekty zmiennych pól magnetycznych

indukcyjność własna i indukcyjność wzajemna

indukcyjność własna obwodu jest używana do opisu reakcji obwodu na prąd zmienny w obwodzie, podczas gdy indukcyjność wzajemna w odniesieniu do drugiego obwodu opisuje reakcję na prąd zmienny w drugim obwodzie. Gdy prąd i1 płynie w obwodzie 1, i1 wytwarza pole magnetyczne B1; strumień magnetyczny przez obwód 1 z powodu prądu I1 wynosi Φ11. Ponieważ B1 jest proporcjonalne do i1, Φ11 jest również. Stałą proporcjonalności jest samoindukcja L1 obwodu. Jest ona określona równaniem

jednostkami indukcyjności są Jeśli obecny jest drugi obwód, część pola B1 przejdzie przez obwód 2, a w obwodzie 2 pojawi się strumień magnetyczny Φ21 z powodu prądu i1. Indukcyjność wzajemną M21 podaje się za pomocą

strumień magnetyczny w obwodzie 1 spowodowany prądem w obwodzie 2 jest podawany przez Φ12 = M12i2. Ważną właściwością wzajemnej indukcyjności jest to, że M21 = M12. W związku z tym wystarczy użyć etykiety M bez indeksów dla wzajemnej indukcyjności dwóch obwodów.

wartość wzajemnej indukcyjności dwóch obwodów może wynosić od +pierwiastka kwadratowego√l1l2 do −pierwiastka kwadratowego√l1l2, w zależności od powiązania strumienia między obwodami. Jeśli oba obwody są bardzo oddalone od siebie lub jeśli pole jednego obwodu nie zapewnia strumienia magnetycznego przez drugi obwód, wzajemna indukcyjność wynosi zero. Maksymalna możliwa wartość wzajemnej indukcyjności dwóch obwodów jest zbliżona, ponieważ dwa obwody wytwarzają pola B o coraz bardziej podobnych konfiguracjach przestrzennych.

Jeśli dla wyrażeń po obu stronach równania (2) przyjmuje się tempo zmian w odniesieniu do czasu, to wynikiem jest dΦ11/dt = L1di1/dt. Zgodnie z prawem Faradaya, dΦ11/dt jest ujemną indukowaną siłą elektromotoryczną. Rezultatem jest równanie często używane dla pojedynczego induktora w obwodzie prądu przemiennego-tj.

zjawisko samoindukcji zostało po raz pierwszy rozpoznane przez amerykańskiego naukowca Josepha Henry ’ ego. Był w stanie generować duże i spektakularne łuki elektryczne, przerywając prąd w dużej miedzianej cewce o wielu obrotach. Podczas gdy stały prąd płynie w cewce, energia w polu magnetycznym jest podana przez 1 / 2Li2. Jeśli zarówno indukcyjność L, jak i prąd i są duże, ilość energii jest również duża. Jeśli prąd zostanie przerwany, jak na przykład przez otwarcie przełącznika noża-ostrza, prąd, a tym samym strumień magnetyczny przez cewkę szybko spada. Równanie (4) opisuje powstałą siłę elektromotoryczną indukowaną w cewce i powstaje duża różnica potencjałów między dwoma biegunami przełącznika. Energia zgromadzona w polu magnetycznym cewki jest rozpraszana jako ciepło i promieniowanie w łuku elektrycznym w przestrzeni między zaciskami przełącznika. Dzięki postępowi w nadprzewodzących przewodach dla elektromagnesów, możliwe jest stosowanie dużych magnesów z polem magnetycznym kilku Tesli do tymczasowego magazynowania energii elektrycznej jako energii w polu magnetycznym. Ma to na celu uwzględnienie krótkoterminowych wahań zużycia energii elektrycznej.

transformator jest przykładem urządzenia wykorzystującego obwody o maksymalnej indukcji wzajemnej. Rysunek 5 ilustruje konfigurację typowego transformatora. Tutaj cewki izolowanego drutu przewodzącego są nawinięte wokół pierścienia żelaza zbudowanego z cienkich izolowanych laminatów lub arkuszy. Laminacje minimalizują prądy wirowe w żelazie. Prądy wirowe to prądy cyrkulacyjne indukowane w metalu przez zmieniające się pole magnetyczne. Prądy te wytwarzają niepożądany produkt uboczny-ciepło w żelazie. Straty energii w transformatorze można zmniejszyć stosując cieńsze laminaty, bardzo” miękkie ” (niskowęglowe) żelazo i drut o większym przekroju, lub nawijając obwody pierwotne i wtórne przewodami o bardzo niskiej rezystancji. Niestety zmniejszenie strat ciepła zwiększa koszt transformatorów. Transformatory używane do przesyłania i dystrybucji energii są zwykle 98 do 99 procent wydajne. Podczas gdy prądy wirowe stanowią problem w transformatorach, są one przydatne do ogrzewania obiektów w próżni. Prądy wirowe są indukowane w obiekcie, który ma być ogrzewany przez otaczanie stosunkowo nieprzewodzącej komory próżniowej cewką przenoszącą prąd zmienny o wysokiej częstotliwości.

w transformatorze żelazo zapewnia, że prawie wszystkie linie B przechodzące przez jeden obwód przechodzą również przez drugi obwód, a w rzeczywistości cały strumień magnetyczny jest ograniczony do żelaza. Każdy obrót cewek przewodzących ma ten sam strumień magnetyczny; zatem całkowity strumień dla każdej cewki jest proporcjonalny do liczby zwojów w cewce. W rezultacie, jeśli źródło sinusoidalnie różnej siły elektromotorycznej jest podłączone do jednej cewki, siła elektromotoryczna w drugiej cewce jest podana przez

tak więc, w zależności od stosunku N2 do N1 (gdzie N1 i N2 to liczba zwojów odpowiednio w pierwszej i drugiej cewce), transformator może być urządzeniem step-up lub step-down dla napięć przemiennych. Z wielu powodów, w tym bezpieczeństwa, wytwarzania i zużycia energii elektrycznej występują przy stosunkowo niskich napięciach. Transformatory Step-up służą do uzyskiwania wysokich napięć przed przekazaniem energii elektrycznej, ponieważ dla danej ilości mocy prąd w liniach przesyłowych jest znacznie mniejszy. Minimalizuje to straty energii w wyniku rezystancyjnego nagrzewania przewodów.

prawo Faradaya stanowi podstawę dla energetyki i przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną. W 1821 roku, dekadę przed odkryciem indukcji magnetycznej, Faraday przeprowadził eksperymenty z przewodami elektrycznymi obracającymi się wokół igieł kompasu. Ta wcześniejsza praca, w której drut przenoszący prąd obracał się wokół namagnesowanej igły i igła magnetyczna została wykonana, aby obracać się wokół drutu przenoszącego prąd elektryczny, stanowiła podwaliny dla rozwoju silnika elektrycznego.