Sähkömagneettisen induktion ilmiö on ilmiö, joka koostuu sähkömotorisen voiman tai jännitteen esiintymisestä kehossa, joka sijaitsee jatkuvasti muuttuvassa magneettikentässä. Sähkömagneettisen induktion seurauksena sähkömotorinen voima syntyy myös, jos kappale liikkuu staattisessa ja epätasaisessa magneettikentässä tai pyörii magneettikentässä niin, että sen suljetun silmukan leikkaavat linjat muuttuvat.
Indusoitu sähkövirta
Induktion käsitteellä tarkoitetaan prosessin syntymistä toisen prosessin vaikutuksen seurauksena. Esimerkiksi sähkövirta voi indusoitua, eli se voi ilmaantua seurauksena johtimen altistamisesta magneettikentälle erityisellä tavalla. Tällaista sähkövirtaa kutsutaan indusoiduksi. Edellytyksiä sähkövirran muodostumiselle sähkömagneettisen induktion ilmiön seurauksena käsitellään myöhemmin artikkelissa.
Magneettisen kentän käsite
EnnenSähkömagneettisen induktion ilmiön tutkimisen aloittamiseksi on tarpeen ymmärtää, mikä magneettikenttä on. Yksinkertaisesti sanottuna magneettikenttä on avaruuden alue, jossa magneettinen materiaali osoittaa magneettisia vaikutuksiaan ja ominaisuuksiaan. Tämä avaruuden alue voidaan kuvata magneettikenttäviivoiksi kutsuttujen viivojen avulla. Näiden viivojen lukumäärä edustaa fyysistä määrää, jota kutsutaan magneettivuoksi. Magneettikenttäviivat ovat kiinni, ne alkavat magneetin pohjoisnavasta ja päättyvät etelään.
Magneettikentällä on kyky vaikuttaa kaikkiin materiaaleihin, joilla on magneettisia ominaisuuksia, kuten sähkövirran rautajohtimiin. Tälle kentälle on tunnusomaista magneettinen induktio, joka on merkitty B:llä ja mitataan tesloina (T). 1 T:n magneettinen induktio on erittäin voimakas magneettikenttä, joka vaikuttaa 1 newtonin voimalla 1 coulombin pistevaraukseen, joka lentää kohtisuorassa magneettikenttälinjoja vastaan nopeudella 1 m/s, eli 1 T=1 Ns / (mCl).
Kuka keksi sähkömagneettisen induktion ilmiön?
Sähkömagneettinen induktio, jonka periaatteeseen monet nykyaikaiset laitteet perustuvat, löydettiin XIX vuosisadan 30-luvun alussa. Sähkömagneettisen induktion ilmiön löytö johtuu yleensä Michael Faradaysta (löytöpäivä - 29. elokuuta 1831). Tutkija perustui tanskalaisen fyysikon ja kemistin Hans Oerstedin kokeiden tuloksiin. Hän havaitsi, että johdin, jonka läpi sähkövirta kulkee, luomagneettikenttä itsensä ympärillä, eli se alkaa näyttää magneettisia ominaisuuksia.
Faraday puolestaan havaitsi Oerstedin löytämän ilmiön vastakohdan. Hän huomasi, että muuttuva magneettikenttä, joka voidaan luoda muuttamalla johtimessa olevan sähkövirran parametreja, johtaa potentiaalieron ilmenemiseen minkä tahansa virtajohtimen päissä. Jos nämä päät liitetään esimerkiksi sähkölampun kautta, sähkövirta kulkee sellaisen piirin läpi.
Tämän seurauksena Faraday löysi fyysisen prosessin, jonka seurauksena johtimeen ilmaantuu sähkövirta magneettikentän muutoksen seurauksena, mikä on sähkömagneettisen induktion ilmiö. Samaan aikaan indusoidun virran muodostukselle ei ole väliä, mikä liikkuu: magneettikenttä vai itse johdin. Tämä voidaan helposti osoittaa suorittamalla sopiva koe sähkömagneettisen induktion ilmiöstä. Joten kun magneetti on asetettu metallispiraalin sisään, alamme liikuttaa sitä. Jos liität spiraalin päät jonkin sähkövirran indikaattorin kautta piiriin, voit nähdä virran ulkonäön. Nyt sinun tulee jättää magneetti rauhaan ja siirtää spiraalia ylös ja alas magneetin suhteen. Ilmaisin näyttää myös virran olemassaolon piirissä.
Faraday-kokeilu
Faradayn kokeet koostuivat työskentelystä johtimen ja kestomagneetin kanssa. Michael Faraday havaitsi ensin, että kun johdin liikkuu magneettikentän sisällä, sen päissä syntyy potentiaaliero. Liikkuva johdin alkaa ylittää magneettikenttäviivat, mikä simuloitämän kentän muuttamisen vaikutus.
Tutkija havaitsi, että tuloksena olevan potentiaalieron positiiviset ja negatiiviset merkit riippuvat suunnasta, johon johdin liikkuu. Esimerkiksi, jos johdinta nostetaan magneettikentässä, niin tuloksena olevalla potentiaalierolla on +- napaisuus, mutta jos tätä johdinta lasketaan, saamme jo -+ napaisuuden. Nämä muutokset potentiaalien etumerkissä, joiden eroa kutsutaan sähkömoottorivoimaksi (EMF), johtavat siihen, että suljetussa piirissä ilmaantuu vaihtovirta, toisin sanoen virta, joka muuttaa jatkuvasti suuntaaan vastakkaiseen suuntaan.
Faraday löysi sähkömagneettisen induktion ominaisuuksia
Kun tiedämme, kuka keksi sähkömagneettisen induktion ilmiön ja miksi indusoitunut virta on olemassa, selitämme joitakin tämän ilmiön ominaisuuksia. Joten mitä nopeammin siirrät johdinta magneettikentässä, sitä suurempi on indusoidun virran arvo piirissä. Toinen ilmiön piirre on seuraava: mitä suurempi kentän magneettinen induktio on, eli mitä voimakkaampi tämä kenttä, sitä suuremman potentiaalieron se voi muodostaa siirrettäessä johdinta kentässä. Jos johdin on levossa magneettikentässä, siihen ei synny EMF:ää, koska johtimen ylittävissä magneettisen induktion linjoissa ei tapahdu muutosta.
Sähkövirran suunta ja vasemman käden sääntö
Sähkömagneettisen induktion ilmiön seurauksena syntyneen sähkövirran suunnan määrittämiseksi johtimessa voitkäytä ns. vasemman käden sääntöä. Se voidaan muotoilla seuraavasti: jos vasen käsi asetetaan niin, että magneetin pohjoisnavasta alkavat magneettisen induktion linjat menevät kämmenelle ja ulkoneva peukalo suunnataan johtimen liikesuuntaan. magneetin kentässä, vasemman käden loput neljä sormea osoittavat johtimessa indusoidun virran suunnan.
Tästä säännöstä on toinen versio, se on seuraava: jos vasemman käden etusormi on suunnattu magneettisen induktion linjoja pitkin ja ulkoneva peukalo on suunnattu johtimen suuntaan, niin 90 astetta kämmenelle käännetty keskisormi osoittaa johtimessa esiintyvän virran suunnan.
Itseinduktioilmiö
Hans Christian Oersted havaitsi magneettikentän olemassaolon johtimen tai käämin ympärillä, jossa on virtaa. Tiedemies havaitsi myös, että tämän kentän ominaisuudet liittyvät suoraan virran voimakkuuteen ja sen suuntaan. Jos kelan tai johtimen virta on muuttuva, se synnyttää magneettikentän, joka ei ole paikallaan, eli se muuttuu. Tämä vuorotteleva kenttä vuorostaan johtaa indusoidun virran esiintymiseen (sähkömagneettisen induktion ilmiö). Induktiovirran liike on aina vastakkainen johtimen läpi kiertävään vaihtovirtaan nähden, eli se vastustaa jokaista virran suunnan muutosta johtimessa tai kelassa. Tätä prosessia kutsutaan itseinduktioksi. Tuloksena oleva sähköinen eropotentiaalia kutsutaan itseinduktion EMF:ksi.
Huomaa, että itseinduktioilmiötä ei esiinny vain virran suunnan muuttuessa, vaan myös silloin, kun se muuttuu, esimerkiksi kun se kasvaa piirin vastuksen pienenemisen vuoksi.
Itseinduktiosta johtuvan piirin virran muutoksen aiheuttaman resistanssin fyysistä kuvaamista varten otettiin käyttöön induktanssin käsite, joka mitataan henrieinä (amerikkalaisen fyysikon Joseph Henryn kunniaksi). Yksi henry on sellainen induktanssi, jonka virran muuttuessa 1 ampeerilla 1 sekunnissa itseinduktioprosessissa syntyy EMF, joka vastaa 1 volttia.
Vaihtovirta
Kun kela alkaa pyöriä magneettikentässä, se synnyttää sähkömagneettisen induktion ilmiön seurauksena indusoituneen virran. Tämä sähkövirta on muuttuva, mikä tarkoittaa, että se muuttaa suuntaa systemaattisesti.
Vaihtovirta on yleisempi kuin tasavirta. Joten monet keskussähköverkosta toimivat laitteet käyttävät tämän tyyppistä virtaa. Vaihtovirta on helpompi indusoida ja siirtää kuin tasavirta. Kotitalouksien vaihtovirran taajuus on pääsääntöisesti 50-60 Hz, eli 1 sekunnissa sen suunta muuttuu 50-60 kertaa.
Vaihtovirran geometrinen esitys on sinimuotoinen käyrä, joka kuvaa jännitteen riippuvuutta ajasta. Kotitalousvirran sinikäyrän koko jakso on noin 20 millisekuntia. Lämpövaikutuksen mukaan vaihtovirta on samanlainen kuin virtaDC, jonka jännite on Umax/√2, missä Umax on maksimijännite AC sinimuotoisella käyrällä.
Sähkömagneettisen induktion käyttö tekniikassa
Sähkömagneettisen induktion ilmiön löytäminen sai aikaan todellisen teknologian kehityksen puomin. Ennen tätä löytöä ihmiset pystyivät tuottamaan sähköä vain rajoitettuja määriä käyttämällä sähköakkuja.
Tällä hetkellä tätä fyysistä ilmiötä käytetään sähkömuuntajissa, lämmittimissä, jotka muuttavat indusoituneen virran lämmöksi, sekä sähkömoottoreissa ja autogeneraattoreissa.
