ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า การประยุกต์กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ในทางปฏิบัติ

ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าใช้เพื่อแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าเป็นหลัก เพื่อจุดประสงค์นี้พวกเขาจะใช้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ(เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำ)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ง่ายที่สุดคือโครงลวดที่หมุนอย่างสม่ำเสมอด้วยความเร็วเชิงมุม w=constในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอพร้อมการเหนี่ยวนำ ใน(รูปที่ 4.5) ฟลักซ์เหนี่ยวนำแม่เหล็กเจาะเฟรมพร้อมพื้นที่ สมีค่าเท่ากัน

เมื่อเฟรมหมุนสม่ำเสมอ มุมการหมุน , ความถี่ในการหมุนอยู่ที่ไหน แล้ว

ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า EMF ที่เกิดขึ้นในกรอบการหมุนของมันคือ

หากคุณเชื่อมต่อโหลด (ผู้ใช้ไฟฟ้า) เข้ากับที่หนีบเฟรมโดยใช้อุปกรณ์หน้าสัมผัสแปรง กระแสสลับจะไหลผ่าน
สำหรับ การผลิตภาคอุตสาหกรรมไฟฟ้าถูกใช้ในโรงไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส(เครื่องกำเนิดเทอร์โบ หากสถานีเป็นแบบใช้ความร้อนหรือนิวเคลียร์ และเครื่องเติมไฮโดรเจน หากสถานีเป็นแบบไฮดรอลิก) ส่วนที่อยู่กับที่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสเรียกว่า สเตเตอร์และหมุน- โรเตอร์(รูปที่ 4.6) โรเตอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขดลวดกระแสตรง (ขดลวดกระตุ้น) และเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทรงพลัง กระแสตรงที่จ่ายให้กับสนามที่คดเคี้ยวผ่านอุปกรณ์หน้าสัมผัสแปรงจะทำให้โรเตอร์เป็นแม่เหล็ก และเกิดแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้
บนสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีขดลวดกระแสสลับสามเส้นซึ่งจะถูกเลื่อนสัมพันธ์กันด้วย 120 0 และเชื่อมต่อกันตามวงจรการเชื่อมต่อเฉพาะ
เมื่อโรเตอร์ที่ตื่นเต้นหมุนด้วยความช่วยเหลือของกังหันไอน้ำหรือไฮดรอลิก ขั้วของมันจะผ่านไปใต้ขดลวดสเตเตอร์ และแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปตามกฎฮาร์มอนิกจะถูกเหนี่ยวนำให้เกิด จากนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเชื่อมต่อกับโหนดปริมาณการใช้ไฟฟ้าตามแผนภาพเครือข่ายไฟฟ้าบางอย่าง
หากคุณถ่ายโอนไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของสถานีไปยังผู้บริโภคผ่านสายไฟโดยตรง (ที่แรงดันไฟฟ้าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งค่อนข้างต่ำ) การสูญเสียพลังงานและแรงดันไฟฟ้าจำนวนมากจะเกิดขึ้นในเครือข่าย (ให้ความสนใจกับอัตราส่วน , ) ดังนั้นเพื่อการขนส่งไฟฟ้าอย่างประหยัดจึงจำเป็นต้องลดความแรงของกระแสไฟฟ้าลง แต่เนื่องจากกำลังส่งยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แรงดันไฟฟ้าจึงต้องเพิ่มขึ้นตามจำนวนที่กระแสไฟฟ้าลดลง
ในทางกลับกันผู้ใช้ไฟฟ้าจำเป็นต้องลดแรงดันไฟฟ้าลงให้อยู่ในระดับที่ต้องการ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดลงตามจำนวนครั้งที่กำหนดเรียกว่า หม้อแปลงไฟฟ้า. การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้ายังขึ้นอยู่กับกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย

พิจารณาหลักการทำงานของหม้อแปลงสองขดลวด (รูปที่ 4.7) เมื่อกระแสสลับไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ จะมีสนามแม่เหล็กสลับที่มีการเหนี่ยวนำปรากฏขึ้นรอบๆ ในซึ่งการไหลก็มีตัวแปรเช่นกัน - แกนหม้อแปลงทำหน้าที่ควบคุมทิศทาง ฟลักซ์แม่เหล็ก(ความต้านทานแม่เหล็กของอากาศสูง) ฟลักซ์แม่เหล็กสลับที่ปิดผ่านแกนกลาง เหนี่ยวนำให้เกิด EMF สลับในแต่ละขดลวด:

แล้ว ในหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังสูง ความต้านทานของคอยล์มีขนาดเล็กมาก ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิจะเท่ากับ EMF โดยประมาณ:

ที่ไหน เค –อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง ที่ k1 () หม้อแปลงไฟฟ้าคือ ลง.
เมื่อเชื่อมต่อกับขดลวดทุติยภูมิของโหลดหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจะไหลเข้าไป ด้วยการใช้ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นตามกฎหมายการอนุรักษ์พลังงานพลังงานที่จ่ายโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของสถานีควรเพิ่มขึ้นเช่น

ที่ไหน

ซึ่งหมายความว่าโดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้า เคเท่าสามารถลดความแรงของกระแสไฟฟ้าในวงจรได้เป็นจำนวนเท่าเดิม (ขณะเดียวกันการสูญเสียจูลลดลง เค 2ครั้งหนึ่ง).

ข้อสรุปโดยย่อ

1. ปรากฏการณ์การเกิด EMF ในวงจรตัวนำปิดซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กสลับเรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

2. ตามกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในวงจรตัวนำแบบปิดจะมีค่าเท่ากันและตรงกันข้ามกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านพื้นผิวที่ล้อมรอบด้วยวงจรนี้:

เครื่องหมายลบสะท้อนให้เห็นถึงกฎของ Lenz: เมื่อการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในฟลักซ์แม่เหล็กผ่านวงนำไฟฟ้าแบบปิด กระแสเหนี่ยวนำจะเกิดขึ้นในส่วนหลังในทิศทางที่สนามแม่เหล็กของมันต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กภายนอก

สาระสำคัญของปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้านั้นไม่ได้อยู่ที่รูปลักษณ์มากนัก กระแสเหนี่ยวนำ,จะมีกระแสน้ำวนเกิดขึ้นมากน้อยเพียงใด สนามไฟฟ้า- กระแสน้ำวน สนามไฟฟ้าเกิดจากสนามแม่เหล็กสลับ ต่างจากสนามไฟฟ้าสถิตตรงที่สนามไฟฟ้ากระแสน้ำวนไม่มีศักย์ไฟฟ้า ดังนั้น เส้นสนามของมันจะปิดอยู่เสมอ เช่นเดียวกับเส้นสนาม สนามแม่เหล็ก.

กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้ารองรับวิศวกรรมไฟฟ้าสมัยใหม่ เช่นเดียวกับวิศวกรรมวิทยุ ซึ่งในทางกลับกัน ก่อให้เกิดแกนหลักของอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ซึ่งได้เปลี่ยนแปลงอารยธรรมทั้งหมดของเราไปอย่างสิ้นเชิง การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเริ่มขึ้นเพียงครึ่งศตวรรษหลังจากการค้นพบ สมัยนั้นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยียังค่อนข้างช้า เหตุผลที่วิศวกรรมไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในทุกด้านของเรา ชีวิตสมัยใหม่คือว่าไฟฟ้าเป็นรูปแบบพลังงานที่สะดวกที่สุดและแม่นยำเนื่องจากกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างหลังทำให้สามารถรับกระแสไฟฟ้าจากพลังงานกล (เครื่องกำเนิดไฟฟ้า) ได้อย่างง่ายดาย กระจายและขนส่งพลังงาน (หม้อแปลงไฟฟ้า) ได้อย่างยืดหยุ่น และแปลงกลับเป็นพลังงานกล (มอเตอร์ไฟฟ้า) และพลังงานประเภทอื่น ๆ ทั้งหมดนี้มีประสิทธิภาพสูงมาก เมื่อ 50 ปีที่แล้ว ได้มีการกระจายพลังงานระหว่างเครื่องจักรในโรงงาน ระบบที่ซับซ้อนเพลาและสายพานขับเคลื่อน - ป่าแห่งการส่งกำลังประกอบด้วยรายละเอียดลักษณะเฉพาะของ "การตกแต่งภายใน" ทางอุตสาหกรรมในยุคนั้น เครื่องจักรสมัยใหม่มีการติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดกะทัดรัดที่ขับเคลื่อนโดยระบบสายไฟที่ซ่อนอยู่

อุตสาหกรรมสมัยใหม่ใช้ระบบจ่ายไฟเพียงระบบเดียวครอบคลุมทั่วทั้งประเทศ และบางครั้งก็เป็นประเทศเพื่อนบ้านหลายประเทศ

ระบบจ่ายไฟเริ่มต้นด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับ การใช้งานโดยตรงกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ตามแผนผัง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดคือแม่เหล็กไฟฟ้าแบบอยู่กับที่ (สเตเตอร์) ซึ่งอยู่ในสนามที่ขดลวด (โรเตอร์) หมุน กระแสสลับที่ตื่นเต้นในขดลวดโรเตอร์จะถูกลบออกโดยใช้หน้าสัมผัสแบบเคลื่อนย้ายได้พิเศษ - แปรง เนื่องจากเป็นเรื่องยากที่จะส่งผ่านพลังงานจำนวนมากผ่านหน้าสัมผัสที่กำลังเคลื่อนที่ จึงมักใช้วงจรเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบย้อนกลับ: แม่เหล็กไฟฟ้าที่หมุนได้จะกระตุ้นกระแสในขดลวดสเตเตอร์ที่อยู่กับที่ ดังนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจึงแปลงพลังงานกลของการหมุนของโรเตอร์เป็นไฟฟ้า อย่างหลังขับเคลื่อนด้วยพลังงานความร้อน (กังหันไอน้ำหรือกังหันแก๊ส) หรือพลังงานกล (กังหันไฮดรอลิก)

อีกด้านหนึ่งของระบบจ่ายไฟจะมีแอคทูเอเตอร์ต่างๆ ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า ที่สำคัญที่สุดคือมอเตอร์ไฟฟ้า (มอเตอร์ไฟฟ้า) สิ่งที่พบบ่อยที่สุดเนื่องจากความเรียบง่ายคือสิ่งที่เรียกว่ามอเตอร์แบบอะซิงโครนัสซึ่งประดิษฐ์ขึ้นอย่างอิสระในปี พ.ศ. 2428-2430 Ferraris นักฟิสิกส์ชาวอิตาลีและ Tesla วิศวกรชาวโครเอเชียผู้โด่งดัง (สหรัฐอเมริกา) สเตเตอร์ของมอเตอร์ดังกล่าวเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงซ้อนที่สร้างสนามหมุน การหมุนสนามทำได้โดยใช้ระบบขดลวดซึ่งกระแสอยู่นอกเฟส ในกรณีที่ง่ายที่สุด ก็เพียงพอแล้วที่จะวางซ้อนของสองฟิลด์ในทิศทางตั้งฉาก โดยเลื่อนเฟสไป 90° (รูปที่ VI.10)

ฟิลด์ดังกล่าวสามารถเขียนได้ในรูปแบบ การแสดงออกที่ซับซ้อน:

ซึ่งแทนเวกเตอร์สองมิติที่มีความยาวคงที่หมุนทวนเข็มนาฬิกาด้วยความถี่ร่วม แม้ว่าสูตร (53.1) จะคล้ายกับการแสดงกระแสสลับที่ซับซ้อนในมาตรา 52 แต่ความหมายทางกายภาพของมันก็แตกต่างกัน ในกรณีของกระแสสลับ เฉพาะส่วนที่แท้จริงของนิพจน์ที่ซับซ้อนเท่านั้นที่มีค่าจริง แต่ที่นี่ปริมาณเชิงซ้อนแสดงถึงเวกเตอร์สองมิติ และเฟสของมันไม่ได้เป็นเพียงเฟสของการแกว่งของส่วนประกอบของสนามไฟฟ้ากระแสสลับเท่านั้น แต่ยังแสดงลักษณะทิศทางของเวกเตอร์สนามด้วย (ดูรูปที่ VI.10)

ในเทคโนโลยี โดยทั่วไปจะใช้รูปแบบการหมุนสนามที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยโดยใช้สิ่งที่เรียกว่ากระแสสามเฟส เช่น กระแสสามเฟส ซึ่งเฟสจะเลื่อนไป 120° สัมพันธ์กัน กระแสน้ำเหล่านี้สร้างสนามแม่เหล็กในสามทิศทาง โดยหมุนกระแสหนึ่งสัมพันธ์กันที่มุม 120° (รูปที่ VI.11) โปรดทราบว่ากระแสไฟฟ้าสามเฟสดังกล่าวจะได้รับโดยอัตโนมัติในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีการจัดเรียงขดลวดที่คล้ายกัน กระแสไฟสามเฟสซึ่งแพร่หลายในเทคโนโลยีถูกประดิษฐ์ขึ้น

ข้าว. VI.10. โครงการรับสนามแม่เหล็กหมุน

ข้าว. VI.11. แผนภาพมอเตอร์แบบอะซิงโครนัส เพื่อความง่าย โรเตอร์จะแสดงเป็นการหมุนรอบเดียว

ในปี พ.ศ. 2431 โดยวิศวกรไฟฟ้าชาวรัสเซียชื่อ Dolivo-Dobrovolsky ผู้สร้างสายส่งไฟฟ้าทางเทคนิคสายแรกของโลกในเยอรมนีบนพื้นฐานนี้

ขดลวดโรเตอร์ของมอเตอร์อะซิงโครนัสประกอบด้วยในกรณีที่ง่ายที่สุดของการหมุนลัดวงจร สนามแม่เหล็กสลับจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในรอบต่างๆ ซึ่งทำให้โรเตอร์หมุนไปในทิศทางเดียวกับสนามแม่เหล็ก ตามกฎของ Lenz โรเตอร์มีแนวโน้มที่จะ "ไล่ตาม" กับสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนอยู่ สำหรับมอเตอร์ที่โหลด ความเร็วในการหมุนของโรเตอร์จะน้อยกว่าสนามเสมอ เนื่องจากไม่เช่นนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและกระแสไฟฟ้าในโรเตอร์จะเป็นศูนย์ ดังนั้นชื่อ - มอเตอร์แบบอะซิงโครนัส

ภารกิจที่ 1. ค้นหาความเร็วโรเตอร์ของมอเตอร์อะซิงโครนัสขึ้นอยู่กับโหลด

สมการของกระแสในการหมุนรอบหนึ่งของโรเตอร์มีรูปแบบดังนี้

โดยที่ความเร็วเชิงมุมของสนามเลื่อนสัมพันธ์กับโรเตอร์ระบุลักษณะการวางแนวของขดลวดที่สัมพันธ์กับสนามตำแหน่งของขดลวดในโรเตอร์ (รูปที่ VI.12, a) เมื่อผ่านไปยังปริมาณเชิงซ้อน (ดูมาตรา 52) เราจะได้สารละลาย (53.2)

แรงบิดที่กระทำต่อขดลวดในสนามแม่เหล็กเดียวกันคือ

ข้าว. VI.12. ถึงปัญหาของมอเตอร์อะซิงโครนัส ก - การหมุนของโรเตอร์ในสนาม "เลื่อน"; b - ลักษณะการรับน้ำหนักของเครื่องยนต์

โดยปกติแล้ว ขดลวดโรเตอร์จะมีการหมุนที่มีระยะห่างเท่าๆ กันเป็นจำนวนมาก ดังนั้นผลรวมที่มากกว่า 9 จึงถูกแทนที่ด้วยการรวมเข้าด้วยกัน ส่งผลให้เกิดแรงบิดรวมบนเพลามอเตอร์

จำนวนรอบของโรเตอร์อยู่ที่ไหน กราฟการพึ่งพาจะแสดงในรูป VI.12 ข. แรงบิดสูงสุดสอดคล้องกับความถี่สลิป โปรดทราบว่าความต้านทานโอห์มมิกของโรเตอร์ส่งผลต่อความถี่สลิปเท่านั้น แต่ไม่ส่งผลต่อแรงบิดสูงสุดของมอเตอร์ ความถี่สลิปเชิงลบ (โรเตอร์ "แซง" สนาม) สอดคล้องกับโหมดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เพื่อรักษาโหมดนี้ไว้จำเป็นต้องใช้พลังงานภายนอกซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าในขดลวดสเตเตอร์

ที่แรงบิดที่กำหนด ความถี่สลิปจะไม่ชัดเจน แต่มีเพียงโหมดเท่านั้นที่เสถียร

องค์ประกอบหลักของระบบการแปลงไฟฟ้าและการขนส่งคือหม้อแปลงไฟฟ้าที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ สำหรับการส่งไฟฟ้าทางไกล จะเป็นประโยชน์ถ้าใช้แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เป็นไปได้ ซึ่งจำกัดโดยการพังทลายของฉนวนเท่านั้น ในปัจจุบัน สายส่งทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าประมาณ สำหรับกำลังส่งที่กำหนด กระแสในสายส่งจะแปรผกผันกับแรงดันไฟฟ้า และความสูญเสียในสายตกเป็นกำลังสองของแรงดันไฟฟ้า ในทางกลับกัน แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่ามากจำเป็นสำหรับการจ่ายไฟให้กับผู้ใช้ไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่เป็นเพราะเหตุผลของการออกแบบที่เรียบง่าย (ฉนวน) เช่นเดียวกับข้อควรระวังด้านความปลอดภัย จึงมีความจำเป็นในการแปลงแรงดันไฟฟ้า

โดยทั่วไปแล้ว หม้อแปลงไฟฟ้าจะประกอบด้วยขดลวดสองเส้นบนแกนเหล็กทั่วไป (รูปที่ VI. 13) จำเป็นต้องมีแกนเหล็กในหม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อลดฟลักซ์การรั่วไหลและด้วยเหตุนี้การเชื่อมโยงฟลักซ์ระหว่างขดลวดจึงดีขึ้น เนื่องจากเหล็กก็เป็นตัวนำเช่นกัน มันจึงส่งกระแสสลับกัน

ข้าว. เวอร์ชัน 1.13 วงจรหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ

ข้าว. VI.14. แผนผังของสายพาน Rogowski เส้นประแสดงเส้นทางของการบูรณาการตามอัตภาพ

สนามแม่เหล็กเท่านั้น ความลึกตื้น(ดูมาตรา 87) ดังนั้นจึงต้องทำการเคลือบแกนหม้อแปลงนั่นคือในรูปแบบของชุดแผ่นบาง ๆ ที่หุ้มฉนวนไฟฟ้าจากกัน สำหรับความถี่กำลังไฟฟ้า 50 Hz ความหนาของแผ่นปกติคือ 0.5 มม. สำหรับหม้อแปลงที่ความถี่สูง (ในวิศวกรรมวิทยุ) จำเป็นต้องใช้แผ่นบางมาก (มม.) หรือแกนเฟอร์ไรต์

ภารกิจที่ 2 แผ่นแกนหม้อแปลงควรหุ้มด้วยแรงดันไฟฟ้าเท่าใด?

หากจำนวนแผ่นในแกนและแรงดันไฟฟ้าต่อรอบของขดลวดหม้อแปลงไฟฟ้าแสดงว่าแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่นที่อยู่ติดกัน

ในกรณีที่ง่ายที่สุดของการไม่มีฟลักซ์หลงทาง อัตราส่วนของแรงเคลื่อนไฟฟ้าในขดลวดทั้งสองจะเป็นสัดส่วนกับจำนวนรอบ เนื่องจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำต่อเทิร์นถูกกำหนดโดยฟลักซ์เดียวกันในแกนกลาง นอกจากนี้หากการสูญเสียในหม้อแปลงมีน้อยและความต้านทานโหลดมีขนาดใหญ่ เห็นได้ชัดว่าอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าบนขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิก็เป็นสัดส่วนเช่นกัน นี่คือหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งทำให้สามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าได้หลายครั้งได้อย่างง่ายดาย

ภารกิจที่ 3 ค้นหาอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่โหลดใดก็ได้

ละเลยการสูญเสียในหม้อแปลงและการกระจาย (หม้อแปลงในอุดมคติ) เราเขียนสมการของกระแสในขดลวดในรูปแบบ (ในหน่วย SI)

โดยที่ความต้านทานเชิงซ้อนของโหลด (ดูมาตรา 52) และนิพจน์ (51.2) ใช้สำหรับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำของวงจรเชิงซ้อน การใช้ความสัมพันธ์ (51.6); คุณสามารถค้นหาค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องแก้สมการ (53.6) แต่เพียงหารด้วยกัน:

ค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงจะเท่ากันดังนั้นเพียงอัตราส่วนของจำนวนรอบที่โหลดใด ๆ เครื่องหมายขึ้นอยู่กับการเลือกจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของขดลวด

ในการค้นหาอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงปัจจุบัน คุณต้องแก้ระบบ (53.7) ซึ่งเป็นผลมาจากการที่เราได้รับ

ในกรณีทั่วไป ค่าสัมประสิทธิ์จะกลายเป็นค่าที่ซับซ้อน เช่น การเปลี่ยนเฟสจะปรากฏขึ้นระหว่างกระแสในขดลวด กรณีพิเศษของโหลดขนาดเล็กเป็นที่สนใจ นั่นคือ อัตราส่วนของกระแสจะกลายเป็นค่าผกผันของอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้า

โหมดการทำงานของหม้อแปลงนี้สามารถใช้ในการวัดกระแสขนาดใหญ่ (หม้อแปลงกระแส) ปรากฎว่าการเปลี่ยนแปลงกระแสอย่างง่าย ๆ แบบเดียวกันนั้นได้รับการเก็บรักษาไว้เพื่อการพึ่งพากระแสตรงเวลาโดยพลการด้วยการออกแบบพิเศษของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า ในกรณีนี้เรียกว่าสายพาน Rogowski (รูปที่ VI.14) และเป็นโซลินอยด์ปิดที่ยืดหยุ่นซึ่งมีรูปร่างตามใจชอบและมีขดลวดสม่ำเสมอ การทำงานของสายพานจะขึ้นอยู่กับกฎการอนุรักษ์การไหลเวียนของสนามแม่เหล็ก (ดูมาตรา 33): โดยที่ดำเนินการบูรณาการตามแนวเส้นขอบภายในสายพาน (ดูรูปที่ VI.14) - กระแสทั้งหมดที่วัดได้ที่ครอบคลุมโดย เข็มขัด. สมมติว่าขนาดตามขวางของสายพานมีขนาดเล็กเพียงพอ เราสามารถเขียนแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เหนี่ยวนำบนสายพานได้ดังต่อไปนี้:

โดยที่ส่วนตัดขวางของสายพานอยู่ที่ไหนและคือความหนาแน่นของขดลวดค่าทั้งสองจะถือว่าคงที่ตลอดสายพาน ภายในสายพานหากความหนาแน่นของขดลวดของสายพานและหน้าตัด 50 คงที่ตลอดความยาว (53.9)

การแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างง่ายสามารถทำได้สำหรับกระแสสลับเท่านั้น สิ่งนี้กำหนดบทบาทชี้ขาดในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ในกรณีที่จำเป็นต้องใช้กระแสตรงจะเกิดปัญหาสำคัญเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ในสายส่งไฟฟ้าระยะไกลพิเศษ การใช้กระแสตรงให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญ: การสูญเสียความร้อนจะลดลง เนื่องจากไม่มีผลกระทบต่อผิวหนัง (ดูมาตรา 87) และไม่มีเสียงสะท้อน

(คลื่น) กระบวนการชั่วคราวเมื่อเปิด-ปิดสายส่งซึ่งมีความยาวตามลำดับความยาวคลื่นของกระแสสลับ (6,000 กม. สำหรับความถี่อุตสาหกรรม 50 Hz) ความยากอยู่ที่การแก้ไขกระแสสลับไฟฟ้าแรงสูงที่ปลายด้านหนึ่งของสายส่งแล้วแปลงกลับที่ปลายอีกด้านหนึ่ง

เรารู้อยู่แล้วว่า กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปตามตัวนำ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบๆ ตัวตัวนำ จากปรากฏการณ์นี้ มนุษย์ได้คิดค้นและใช้แม่เหล็กไฟฟ้าหลากหลายชนิดอย่างกว้างขวาง แต่คำถามก็เกิดขึ้น: ถ้า ค่าไฟฟ้าเมื่อเคลื่อนที่จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก แต่กลับกันไม่ได้หรือ?

นั่นคือสนามแม่เหล็กสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในตัวนำได้หรือไม่? ในปีพ.ศ. 2374 ไมเคิล ฟาราเดย์ได้ก่อตั้งวงจรไฟฟ้าแบบปิดขึ้น วงจรไฟฟ้าเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงจะเกิดกระแสไฟฟ้า กระแสดังกล่าวเรียกว่ากระแสเหนี่ยวนำและปรากฏการณ์ของการเกิดกระแสในวงจรตัวนำปิดเมื่อสนามแม่เหล็กทะลุผ่านวงจรนี้เปลี่ยนแปลงเรียกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ชื่อ "แม่เหล็กไฟฟ้า" นั้นประกอบด้วยสองส่วน: "ไฟฟ้า" และ "แม่เหล็ก" ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก และหากประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ทำให้สนามแม่เหล็กรอบตัวเปลี่ยนแปลง สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปย่อมบังคับให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ในกรณีนี้คือการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า สนามแม่เหล็กคงที่จะไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น การตรวจสอบรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มาของสูตร และกฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าหมายถึงหลักสูตรชั้นประถมศึกษาปีที่ 9

การประยุกต์ใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

ในบทความนี้เราจะพูดถึงการใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า การทำงานของมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจำนวนมากขึ้นอยู่กับการใช้กฎของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการทำงานนั้นค่อนข้างเข้าใจง่าย

การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กอาจเกิดขึ้นได้ เช่น โดยการเคลื่อนย้ายแม่เหล็ก ดังนั้นหากคุณย้ายแม่เหล็กภายในวงจรปิดโดยอิทธิพลภายนอกใด ๆ กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นในวงจรนี้ วิธีนี้คุณสามารถสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าปัจจุบันได้

ตรงกันข้ามถ้าปล่อยให้กระแสไหลมาจาก แหล่งที่มาของบุคคลที่สามตามวงจรแม่เหล็กที่อยู่ภายในวงจรจะเริ่มเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้คุณสามารถประกอบมอเตอร์ไฟฟ้าได้

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในปัจจุบันที่อธิบายไว้ข้างต้นจะแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า พลังงานกลนี่คือพลังงานของถ่านหิน น้ำมันดีเซล ลม น้ำ และอื่นๆ ไฟฟ้าเดินทางผ่านสายไฟไปยังผู้บริโภคและถูกแปลงกลับเป็นพลังงานกลในมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าของเครื่องดูดฝุ่น เครื่องเป่าผม เครื่องผสม เครื่องทำความเย็น เครื่องบดเนื้อไฟฟ้า และอุปกรณ์อื่นๆ มากมายที่เราใช้ทุกวันนั้นขึ้นอยู่กับการใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงแม่เหล็ก ไม่จำเป็นต้องพูดถึงการใช้ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ในอุตสาหกรรม

เรื่อง: การใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

วัตถุประสงค์ของบทเรียน:

ทางการศึกษา:

1. เดินหน้าพัฒนาแนวคิดเรื่องสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในฐานะประเภทของสสารและหลักฐานการมีอยู่จริงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
2. พัฒนาทักษะในการแก้ปัญหาเชิงคุณภาพและการคำนวณ

พัฒนาการ:ทำงานร่วมกับนักเรียนต่อไปใน...

1. การก่อตัวของแนวคิดเกี่ยวกับกายภาพสมัยใหม่ รูปภาพของโลก,
2. ความสามารถในการเปิดเผยความสัมพันธ์ระหว่างเนื้อหาที่ศึกษากับปรากฏการณ์แห่งชีวิต
3. ขยายขอบเขตอันไกลโพ้นของนักเรียน

ทางการศึกษา:เรียนรู้ที่จะเห็นการสำแดงของรูปแบบการศึกษาในชีวิตรอบตัวคุณ

การสาธิต

1. หม้อแปลงไฟฟ้า
2. ส่วนของซีดี“ ฟิสิกส์เกรด 7-11 ห้องสมุดโสตทัศนูปกรณ์"

1) “การผลิตไฟฟ้า”
2) “การเขียนและอ่านข้อมูลบนเทปแม่เหล็ก”

3. การนำเสนอ

1) " การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า– การทดสอบ” (ส่วนที่ 1 และ 2)
2) "หม้อแปลงไฟฟ้า"

ความคืบหน้าของบทเรียน

1. อัปเดต:

ก่อนที่คุณจะพิจารณา วัสดุใหม่โปรดตอบคำถามต่อไปนี้:

2. การแก้ปัญหาบนการ์ด ดูการนำเสนอ (ภาคผนวก 1) (คำตอบ: 1 B, 2 B, 3 B, 4 A, 5 B) – 5 นาที

3. วัสดุใหม่.

การใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

1) ในอดีต ปีการศึกษาเมื่อศึกษาหัวข้อ “สื่อสารสนเทศ” ในวิทยาการคอมพิวเตอร์ เราก็พูดถึงดิสก์ ฟลอปปีดิสก์ ฯลฯ ปรากฎว่าการบันทึกและอ่านข้อมูลโดยใช้เทปแม่เหล็กนั้นขึ้นอยู่กับการใช้ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า
การบันทึกและทำซ้ำข้อมูลโดยใช้เทปแม่เหล็ก (ชิ้นส่วนของซีดี "ฟิสิกส์เกรด 7-11 ห้องสมุดเครื่องช่วยการมองเห็น", "การบันทึกและการอ่านข้อมูลบนเทปแม่เหล็ก" - 3 นาที) (ภาคผนวก 2)

2) พิจารณาโครงสร้างและการทำงานพื้นฐานของอุปกรณ์เช่น TRANSFORMER (ดูการนำเสนอภาคผนวก 3)
การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า

TRANSFORMER - อุปกรณ์ที่แปลงกระแสสลับของแรงดันไฟฟ้าหนึ่งเป็นกระแสสลับของแรงดันไฟฟ้าอื่นที่ความถี่คงที่

3) ในกรณีที่ง่ายที่สุด หม้อแปลงไฟฟ้าประกอบด้วยแกนเหล็กปิดซึ่งมีขดลวดสองขดลวดที่มีขดลวดอยู่ ขดลวดอันหนึ่งที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเรียกว่าขดลวดหลักและขดลวดที่เชื่อมต่อ "โหลด" เช่นอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าเรียกว่ารอง

ก) หม้อแปลงแบบสเต็ปอัพ

b) หม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์

เมื่อส่งพลังงานในระยะทางไกล ให้ใช้หม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์และสเต็ปอัพ

4) การทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า (ทำการทดลอง)

การส่องสว่างของแสงในขดลวดทุติยภูมิ ( คำอธิบายของประสบการณ์นี้);
- หลักการทำงาน เครื่องเชื่อม (เหตุใดการหมุนในขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงแบบสเต็ปดาวน์จึงหนาขึ้น?);
- หลักการทำงานของเตาเผา ( กำลังของคอยล์ทั้งสองเท่ากัน แต่กระแสล่ะ?)

5) การประยุกต์ใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ

ตัวอย่างการใช้งานทางเทคนิคของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า: หม้อแปลงไฟฟ้า, เครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า - แหล่งไฟฟ้าหลัก
ด้วยการค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้สามารถผลิตสินค้าราคาถูกได้ พลังงานไฟฟ้า- พื้นฐานสำหรับการดำเนินงานของโรงไฟฟ้าสมัยใหม่ (รวมถึงโรงไฟฟ้านิวเคลียร์) คือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำ.
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (ชิ้นส่วนของแผ่นดิสก์ชิ้นส่วนของซีดี "ฟิสิกส์เกรด 7-11 ห้องสมุดเครื่องช่วยการมองเห็น", "การผลิตไฟฟ้า" - 2 นาที) (ภาคผนวก 4)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเหนี่ยวนำประกอบด้วยสองส่วน: โรเตอร์ที่กำลังเคลื่อนที่และสเตเตอร์ที่อยู่กับที่ ส่วนใหญ่แล้วสเตเตอร์จะเป็นแม่เหล็ก (ถาวรหรือไฟฟ้า) ที่สร้างสนามแม่เหล็กเริ่มต้น (เรียกว่าตัวเหนี่ยวนำ) โรเตอร์ประกอบด้วยขดลวดหนึ่งหรือหลายขดลวดซึ่งกระแสเหนี่ยวนำถูกสร้างขึ้นภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง (อีกชื่อหนึ่งของโรเตอร์ดังกล่าวคือสมอ)

- การตรวจจับวัตถุที่เป็นโลหะ - เครื่องตรวจจับพิเศษ
- รถไฟลอยแม่เหล็ก(ดูหน้า 129 ของหนังสือเรียนของ V. A. Kasyanov“ ฟิสิกส์ - 11”)
กระแสฟูโกต์ (กระแสน้ำวน;)
– กระแสเหนี่ยวนำแบบปิดที่เกิดขึ้นในตัวตัวนำขนาดใหญ่.

ปรากฏว่าเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กซึ่งตัวตัวนำตั้งอยู่ หรือเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของวัตถุเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กที่เจาะเข้าไปในวัตถุนี้ (หรือส่วนใดส่วนหนึ่งของมัน) เปลี่ยนแปลงไป
เช่นเดียวกับกระแสอื่นๆ กระแสน้ำวนมีผลกระทบทางความร้อนต่อตัวนำ: ส่วนต่างๆ ที่กระแสดังกล่าวเกิดความร้อนขึ้น

ตัวอย่าง: การติดตั้งเตาไฟฟ้าสำหรับหลอมโลหะและเตาไมโครเวฟ.

4. ข้อสรุป การประเมิน

1) การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ยกตัวอย่างการประยุกต์ใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ
2) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นประเภทของสสารที่พบบ่อยที่สุด และการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นกรณีพิเศษของการรวมตัวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

5. การแก้ปัญหาโดยใช้การ์ด ดูการนำเสนอ(ภาคผนวก 5) (คำตอบ - 1B, 2A, 3A, 4B)

6. งานบ้าน:หน้า 35,36 (ตำราฟิสิกส์แก้ไขโดย V.A. Kasyanov เกรด 11)

งานปัจจุบันคืองานสนามไฟฟ้าเพื่อถ่ายโอนประจุไฟฟ้าไปตามตัวนำ งานที่ทำโดยกระแสไฟฟ้าบนส่วนของวงจรจะเท่ากับผลคูณของกระแส แรงดันไฟฟ้า และเวลาในระหว่างที่ทำงาน เมื่อใช้สูตรกฎของโอห์มสำหรับส่วนของวงจร คุณสามารถเขียนสูตรหลายเวอร์ชันสำหรับคำนวณการทำงานของกระแสได้:

A= U*I*t=I2 R*t=U2 /R *t

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน งานเท่ากับการเปลี่ยนแปลงพลังงานของส่วนของวงจร ดังนั้นพลังงานที่ปล่อยออกมาจากตัวนำจึงเท่ากับงานของกระแสไฟฟ้า

(A)=B*A*c= W*s=J; 1kW*h=3,600,000 เจ

กฎจูล-เลนซ์

เมื่อกระแสไหลผ่านตัวนำ ตัวนำจะร้อนขึ้นและเกิดการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม เช่น ตัวนำจะปล่อยความร้อนไปยังวัตถุที่อยู่รอบๆ

ปริมาณความร้อนที่เกิดจากตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน สิ่งแวดล้อมเท่ากับผลคูณของกำลังสองของความแรงของกระแส ความต้านทานของตัวนำ และเวลาที่ใช้เพื่อให้กระแสไหลผ่านตัวนำ

A=Q=U*I*t=I2 *R*t=U2 /R*t

การแสดงออกนี้แสดงถึงกฎ Joule-Lenz ซึ่งก่อตั้งขึ้นโดยการทดลองอย่างอิสระโดย J. Joule และ E. H. Lenz:

dQ=UIdt=I2 Rdt=U2 /R*dt.

สนามแม่เหล็กเป็นรูปแบบของการดำรงอยู่ของสสารที่อยู่รอบๆ ประจุไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่ (ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน แม่เหล็กถาวร)

คุณสมบัติพื้นฐานของสนามแม่เหล็ก: เกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ตัวนำไฟฟ้าที่มีกระแสไหลผ่าน แม่เหล็กถาวร และสนามไฟฟ้ากระแสสลับ กระทำการด้วยแรงในการเคลื่อนย้ายประจุไฟฟ้า ตัวนำกระแสไฟ และตัวแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กสลับทำให้เกิดสนามไฟฟ้ากระแสสลับ กฎกิมเล็ต: หากทิศทางการเคลื่อนที่ของการแปลของเจียมเล็ต (สกรู) เกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของกระแสในตัวนำ ทิศทางการหมุนของด้ามจับเจียมเล็ตจะเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

กฎทางซ้ายช่วยให้คุณกำหนดแรงแอมแปร์ได้ เช่น แรงที่สนามแม่เหล็กกระทำต่อตัวนำที่มีกระแสไหลอยู่ ถ้า มือซ้ายวางตำแหน่งเพื่อให้องค์ประกอบตั้งฉากของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กเข้าไปในฝ่ามือ และนิ้วทั้งสี่ที่ยื่นออกไปนั้นหันไปตามกระแสน้ำ จากนั้นงอ 90 องศา นิ้วหัวแม่มือจะแสดงทิศทางของแรงแอมแปร์

ต่างจากสนามไฟฟ้าซึ่งกระทำต่อประจุใดๆ สนามแม่เหล็กจะทำหน้าที่เฉพาะกับอนุภาคที่มีประจุที่กำลังเคลื่อนที่เท่านั้น ปรากฎว่าแรงไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับขนาดเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับทิศทางของความเร็วประจุด้วย แรงลอเรนซ์ แรงที่สนามแม่เหล็กกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุเรียกว่า แรงลอเรนซ์ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าเวกเตอร์ F~ ของแรงลอเรนซ์พบได้ดังนี้ 1.

ค่าสัมบูรณ์ของแรงลอเรนซ์คือ:

โดยที่ q คือค่าสัมบูรณ์ของประจุ v คือความเร็วของประจุ B คือการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็ก b คือมุมระหว่างเวกเตอร์ ~v และ B~

แรงลอเรนซ์ตั้งฉากกับเวกเตอร์ ~v และ B~ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เวกเตอร์ F~ ตั้งฉากกับระนาบซึ่งมีเวกเตอร์ความเร็วประจุและเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กอยู่ ยังคงต้องค้นหาว่าครึ่งอวกาศใดสัมพันธ์กับระนาบที่กำหนดซึ่งกองกำลังลอเรนซ์กำกับอยู่

การเชื่อมต่อร่วมกันระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กก่อตั้งขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้มีชื่อเสียงเอ็ม. ฟาราเดย์ในปี พ.ศ. 2374 เขาค้นพบปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยการเกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรตัวนำแบบปิดเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเจาะวงจรเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าคือการเกิดกระแสไฟฟ้าในวงจรปิดเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงจรเปลี่ยนแปลงไป

ฟาราเดย์ศึกษาปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าโดยใช้เกลียวลวดสองเส้นที่แยกออกจากกันพันบนขดลวดไม้ เกลียวอันหนึ่งเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่กัลวานิก และอีกอันเชื่อมต่อกับกัลวาโนมิเตอร์ที่บันทึกกระแสอ่อน ในขณะที่ปิดและเปิดวงจรของเกลียวแรก เข็มกัลวาโนมิเตอร์ในวงจรของเกลียวที่สองเบี่ยงเบนไป

การทดลองของฟาราเดย์

การทดลองของฟาราเดย์ในการศึกษา EMR สามารถแบ่งออกเป็นสองชุด:

1. การเกิดกระแสเหนี่ยวนำเมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่ (ขดลวดที่มีกระแส) เข้าและออก

คำอธิบายการทดลอง: เมื่อเสียบแม่เหล็กเข้าไปในขดลวดที่เชื่อมต่อกับแอมป์มิเตอร์ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะปรากฏขึ้นในวงจร เมื่อถอดออก กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำก็จะปรากฏขึ้นเช่นกัน แต่ไปในทิศทางที่ต่างออกไป จะเห็นได้ว่ากระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำนั้นขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กและขั้วใดที่นำแม่เหล็กนั้นไป ความแรงของกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความเร็วของแม่เหล็ก

2. การเกิดกระแสเหนี่ยวนำในขดลวดหนึ่งเมื่อกระแสในขดลวดอีกขดลวดหนึ่งเปลี่ยนแปลง

คำอธิบายการทดลอง: กระแสไฟฟ้าในคอยล์ 2 เกิดขึ้นในขณะที่ปิดและเปิดกุญแจในวงจรของคอยล์ 1 จะเห็นได้ว่าทิศทางของกระแสขึ้นอยู่กับว่าวงจรของคอยล์ 1 ปิดหรือเปิดอยู่ , เช่น. ขึ้นอยู่กับว่าฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้น (เมื่อวงจรปิด) หรือลดลง (เมื่อวงจรเปิด) เจาะคอยล์ที่ 1

จากการทดลองจำนวนมาก ฟาราเดย์ได้กำหนดว่าในวงจรไฟฟ้าแบบปิด กระแสไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเฉพาะในกรณีที่กระแสไฟฟ้าอยู่ในสนามแม่เหล็กสลับ โดยไม่คำนึงว่าฟลักซ์ของการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กจะมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไร

กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่าการเหนี่ยวนำ

พูดอย่างเคร่งครัด เมื่อวงจรเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้านั้นไม่ใช่กระแสที่แน่นอน (ซึ่งขึ้นอยู่กับความต้านทาน) แต่เป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้าจำนวนหนึ่งที่ถูกสร้างขึ้น

ฟาราเดย์ทดลองว่าเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลงในวงจรตัวนำ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ Eind จะเกิดขึ้น เท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านพื้นผิวที่ล้อมรอบด้วยวงจร โดยมีเครื่องหมายลบ:

สูตรนี้แสดงถึงกฎของฟาราเดย์: e. d.s. การเหนี่ยวนำเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กผ่านพื้นผิวที่ล้อมรอบด้วยเส้นขอบ

เครื่องหมายลบในสูตรแสดงถึงกฎของ Lenz

ในปี ค.ศ. 1833 Lenz ทดลองพิสูจน์ข้อความที่เรียกว่ากฎของ Lenz: กระแสเหนี่ยวนำที่ตื่นเต้นในวงปิดเมื่อการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กถูกควบคุมทิศทางเสมอ เพื่อให้สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นป้องกันการเปลี่ยนแปลงในฟลักซ์แม่เหล็กที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ

ด้วยการเพิ่มฟลักซ์แม่เหล็ก Ф>0 และ eind< 0, т.е. э. д. с. индукции вызывает ток такого направления, при котором его магнитное поле уменьшает магнитный поток через контур.

ด้วยการลดลงของฟลักซ์แม่เหล็ก F<0, а еинд >0 เช่น สนามแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเพิ่มฟลักซ์แม่เหล็กที่ลดลงผ่านวงจร

กฎของ Lenz มีความหมายทางกายภาพที่ลึกซึ้ง - เป็นการแสดงออกถึงกฎการอนุรักษ์พลังงาน: หากสนามแม่เหล็กผ่านวงจรเพิ่มขึ้นกระแสไฟฟ้าในวงจรจะถูกกำหนดทิศทางเพื่อให้สนามแม่เหล็กของมันหันไปทางภายนอกและหากกระแสภายนอก สนามแม่เหล็กที่ผ่านวงจรจะลดลง จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งไปเพื่อให้สนามแม่เหล็กคงรักษาสนามแม่เหล็กที่กำลังลดลงนี้ไว้

แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำขึ้นอยู่กับหลายสาเหตุ หากคุณดันแม่เหล็กแรงสูงเข้าไปในขดลวดหนึ่งครั้งและแม่เหล็กอ่อนแรงอีกครั้ง การอ่านค่าของอุปกรณ์ในกรณีแรกจะสูงขึ้น พวกมันจะสูงขึ้นเมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่เร็ว ในการทดลองแต่ละครั้งที่ดำเนินการในงานนี้ ทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำจะถูกกำหนดโดยกฎของ Lenz ขั้นตอนการกำหนดทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำจะแสดงในรูป

ฟาราเดย์กระแสเหนี่ยวนำแม่เหล็ก

ในภาพ เส้นสนามแม่เหล็กจะแสดงเป็นสีน้ำเงิน แม่เหล็กถาวรและเส้นสนามแม่เหล็กของกระแสเหนี่ยวนำ เส้นสนามแม่เหล็กจะส่งจาก N ถึง S เสมอ - จากขั้วเหนือถึง ขั้วโลกใต้แม่เหล็ก.

ตามกฎของ Lenz กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในตัวนำซึ่งเกิดขึ้นเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลง จะถูกส่งไปในลักษณะที่สนามแม่เหล็กจะตอบโต้การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็ก ดังนั้นในขดลวด ทิศทางของเส้นสนามแม่เหล็กจะตรงข้ามกับเส้นแรงของแม่เหล็กถาวร เนื่องจากแม่เหล็กเคลื่อนที่เข้าหาขดลวด เราค้นหาทิศทางของกระแสโดยใช้กฎสว่าน: หากขันสว่าน (ที่มีเกลียวขวา) เข้าไปเพื่อให้ การเคลื่อนไหวไปข้างหน้าเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของเส้นเหนี่ยวนำในขดลวด จากนั้นทิศทางการหมุนของด้ามจับสว่านจะสอดคล้องกับทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำ

ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านมิลลิแอมมิเตอร์จึงไหลจากซ้ายไปขวา ดังแสดงในรูปลูกศรสีแดง ในกรณีที่แม่เหล็กเคลื่อนออกจากขดลวด เส้นสนามแม่เหล็กของกระแสเหนี่ยวนำจะตรงกันในทิศทางด้วย สายไฟแม่เหล็กถาวร และกระแสจะไหลจากขวาไปซ้าย