effekter av varierande magnetfält

självinduktans och ömsesidig induktans

självinduktansen hos en krets används för att beskriva kretsens reaktion på en föränderlig ström i kretsen, medan den ömsesidiga induktansen med avseende på en andra krets beskriver reaktionen på en föränderlig ström i den andra kretsen. När en ström I1 flyter i krets 1, producerar I1 ett magnetfält B1; det magnetiska flödet genom krets 1 på grund av ström I1 är 211. Eftersom B1 är proportionell mot I1, är det också 11. Proportionalitetskonstanten är kretsens självinduktans L1. Det definieras av ekvationen

enheterna för induktans är henrys. Om en andra krets är närvarande kommer en del av fältet B1 att passera genom krets 2 och det kommer att finnas ett magnetiskt flöde 21 i krets 2 på grund av strömmen I1. Den ömsesidiga induktansen M21 ges av

det magnetiska flödet i krets 1 på grund av en ström i krets 2 ges av 22 = M12i2. En viktig egenskap hos den ömsesidiga induktansen är att M21 = M12. Det är därför tillräckligt att använda etiketten M utan prenumerationer för ömsesidig induktans av två kretsar.

värdet på den ömsesidiga induktansen hos två kretsar kan sträcka sig från +kvadratrot av 0 l1l2 till −kvadratrot av 2 l1l2, beroende på flödeslänken mellan kretsarna. Om de två kretsarna är mycket långt ifrån varandra eller om fältet för en krets inte ger något magnetiskt flöde genom den andra kretsen är den ömsesidiga induktansen noll. Det maximala möjliga värdet av den ömsesidiga induktansen hos två kretsar närmar sig när de två kretsarna producerar B-fält med alltmer liknande rumsliga konfigurationer.

om förändringshastigheten med avseende på tid tas för termerna på båda sidor av ekvationen (2), är resultatet d 211/dt = l1di1/dt. Enligt Faradays lag är d macau11 / dt Negativet av den inducerade elektromotoriska kraften. Resultatet är ekvationen som ofta används för en enda induktor i en växelströmskrets—dvs

fenomenet självinduktion erkändes först av den amerikanska forskaren Joseph Henry. Han kunde generera stora och spektakulära elektriska bågar genom att avbryta strömmen i en stor kopparspole med många varv. Medan en stadig ström strömmar i en spole, ges energin i magnetfältet med 1/2li2. Om både induktansen L och strömmen i är stora är mängden energi också stor. Om strömmen avbryts, som till exempel genom att öppna en knivbladbrytare, faller strömmen och därmed magnetflödet genom spolen snabbt. Ekvation (4) beskriver den resulterande elektromotoriska kraften som induceras i spolen, och en stor potentialskillnad utvecklas mellan omkopplarens två poler. Den energi som lagras i spolens magnetfält sprids som värme och strålning i en elektrisk båge över utrymmet mellan omkopplarens terminaler. På grund av framsteg inom supraledande ledningar för elektromagneter är det möjligt att använda stora magneter med magnetfält av flera teslas för att tillfälligt lagra elektrisk energi som energi i magnetfältet. Detta görs för att tillgodose kortsiktiga fluktuationer i elförbrukningen.

en transformator är ett exempel på en enhet som använder kretsar med maximal ömsesidig induktion. Figur 5 illustrerar konfigurationen av en typisk transformator. Här lindas spolar av isolerad ledande tråd runt en ring av järn konstruerad av tunna isolerade lamineringar eller ark. Lamineringarna minimerar virvelströmmar i järnet. Virvelströmmar är cirkulationsströmmar som induceras i metallen av det föränderliga magnetfältet. Dessa strömmar ger en oönskad biprodukt-värme i järnet. Energiförlust i en transformator kan minskas genom att använda tunnare lamineringar, mycket” mjukt ” (kolvjärn) järn och tråd med större tvärsnitt eller genom att linda de primära och sekundära kretsarna med ledare som har mycket lågt motstånd. Tyvärr minskar värmeförlusten kostnaden för transformatorer. Transformatorer som används för att överföra och distribuera ström är vanligtvis 98 till 99 procent effektiva. Medan virvelströmmar är ett problem i transformatorer, är de användbara för uppvärmning av föremål i vakuum. Virvelströmmar induceras i objektet som ska värmas genom att omge ett relativt icke-ledande vakuumhölje med en spole som bär en högfrekvent växelström.

i en transformator säkerställer järnet att nästan alla linjer av B som passerar genom en krets också passerar genom den andra kretsen och att faktiskt allt magnetiskt flöde är begränsat till järnet. Varje vridning av de ledande spolarna har samma magnetiska flöde; således är det totala flödet för varje spole proportionellt mot antalet varv i spolen. Som ett resultat, om en källa till sinusoidalt varierande elektromotorisk kraft är ansluten till en spole, ges den elektromotoriska kraften i den andra spolen av

således, beroende på förhållandet N2 till N1 (där N1 och N2 är antalet varv i respektive första och andra spolar), kan transformatorn vara antingen en steg-up eller en nedstegsanordning för växlande spänningar. Av många skäl, inklusive säkerhet, uppstår generering och förbrukning av elkraft vid relativt låga spänningar. Stegtransformatorer används för att erhålla högspänningar innan elkraft överförs, eftersom strömmen i överföringsledningarna för en given mängd effekt är mycket mindre. Detta minimerar energi som förloras genom resistiv uppvärmning av ledarna.Faradays lag utgör grunden för kraftindustrin och för omvandling av mekanisk energi till elektrisk energi. År 1821, ett decennium före upptäckten av magnetisk induktion, genomförde Faraday experiment med elektriska ledningar som roterar runt kompassnålar. Detta tidigare arbete, där en tråd som bär en ström roterades runt en magnetiserad nål och en magnetisk nål gjordes för att rotera runt en tråd som bär en elektrisk ström, gav grunden för utvecklingen av elmotorn.