Работа всех электрических машин основывается на явлении электромагнитной индукции. Иногда трудно себе представить, как такие машины способны работать.. Например, трансформатор – преобразует электрическую энергию одной величины в другую, при этом его обмотки не связаны друг с другом, фактически по воздуху.
Асинхронные двигателя, их принцип действия также объясняет явление электромагнитной индукции. Какой силой обладает вращающийся ротор, какие механизмы он способен приводить в действие. Напомню, ротор так же ни с чем не связан, он свободно вращается на подшипниках вокруг своей оси.
Но от куда берется эта сила? Давайте копнем глубже и рассмотрим детально явление электромагнитной индукции.
Опыт Фарадея и электромагнитная индукция
Для более глубокого понимания явления электромагнитной индукции давайте рассмотрим следующий опыт:
Между двух полюсов постоянного магнита расположим некий проводник. К концам этого проводника будет подключен гальванометр (чувствительный измерительный прибор).
Обратим внимание. Когда проводник между полюсов магнита находится в состоянии покоя, стрелка прибора находится в среднем положении.
Стоит только переместить проводник, как стрелка тут же отклонится, при прекращении движения проводника стрелка проводника возвратится в среднее положение. Если проводник перемещать в обратном направлении, то стрелка прибора так же отклонится на время движения проводника, при этом направление отклонение стрелки гальванометра будит противоположным.
Изменение положения стрелки гальванометра, в момент движения проводника в магнитном поле указывает на то, что в этом проводнике наводится некая электродвижущая сила (сокращенно э.д.с).
Появление этой силы, можно объяснить тем, что под действием магнитного поля, свободные электроны, находящиеся в проводнике, начинают упорядоченно двигаться по проводнику.
Так как к нашему проводнику подключен измерительный прибор, то эта система из перемещаемого проводника и гальванометра с соединительными проводами представляет собой замкнутую цепь, а в этом случаи по цепи протекает электрический ток. На это и указывает стрелка гальванометра.
Обратим внимание, что электрический ток, а ему предшествует наведение электродвижущей силы возникает лишь в момент движения проводника в магнитном поле постоянного магнита. А величина наведенной электродвижущей силы зависит от скорости перемещения проводника.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Мы знаем, что величина наведенной электродвижущей силы в проводнике, движущемся в некотором магнитном поле, с определенной скоростью, зависит от скорости передвижения проводника. Но это еще не все. Электродвижущая сила так же зависит от длины проводника, важна именно длина, которая находится под действием магнитного поля магнита. Еще зависит от индукции магнитного поля и от направления передвижения самого проводника.
М. Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции следующим образом:
«Индуцируемая электродвижущая сила прямо пропорциональна индукции магнитного поля B, длине проводника l и скорости его перемещения v в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля.»
Этот закон можно выразить формулой:
где электродвижущая сила обозначается буквой e:
Когда проводник движется не под прямым углом по отношению к магнитному полю формула имеет следующий вид:
Где:
e – электродвижущая сила;
B – индукция магнитного поля;
l – длина проводника;
v – скорость перемещения проводника в магнитном поле;
Sin ϕ – синус угла под которым производится перемещение относительно магнитного поля.
Индуцирование электродвижущей силы в проводнике происходит, когда он перемещается в магнитном поле. То есть пересечение магнитными силовыми линиями не должно быть постоянным, а всегда изменятся.
Электродвижущая сила в этом проводнике будит индуцироваться не зависимо от того, замкнута цепь проводника или нет.
Для протекания электрического тока, основное условие — наличие замкнутой цепи, а для электродвижущей силы, главное условие ее наведения – это изменение силовых магнитных линий, пересекающих проводник.
Заметьте, что движение проводника в магнитном поле не является основополагающим фактором индуцирования электродвижущей силы. Допускается и то, что проводник неподвижен, а перемещается лишь магнитное поле, в котором находится этот проводник.
Правило правой руки
Вы, наверное, обратили внимание, что при изменении направления перемещения проводника в магнитном поле изменяется и направление отклонения стрелочки гальванометра. Следовательно, и индуцируемая электродвижущая сила изменила свое направление.
Существует правило, благодаря которому можно определить направление индуцируемой электродвижущей силы. Это правило называется «Правило правой руки».
«Если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной электродвижущей силы»
Применение электромагнитной индукции
Работа всех электрических машин переменного тока основывается на явлении электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция — серьёзное основание (база), понимание и овладение которым, открывает большинство дверей в мире электрических машин.
К таким машинам относят всем давно известные трансформаторы, электрические двигатели и генераторы.
Многие, наверное, слышали о индукционных печах, индукционный способ плавки, а индукционные счетчики электрической энергии уже устаревшие.
Принцип работы многих электрических аппаратов основывается на явлении магнитной индукции, это такие как магнитные пускатели, контакторы, различные типы реле и современные датчики положения.
В современной технике данное явление применяется в беспроводных зарядках для телефонов, в микроволновых печах и так далее.
Но существует и обратная сторона медали. Из-за явления электромагнитной индукции в электроэнергетике существуют колоссальные потери. На всем известные вихревые токи, которые наводятся практически везде. Хотя с этим видом потерь активно борются и находят те или иные способы уменьшения таких потерь, все же они вещественны и ощутимы.