Электромагниттік индукция құбылысы – үздіксіз өзгеріп отыратын магнит өрісінде орналасқан денеде электр қозғаушы күштің немесе кернеудің пайда болуынан тұратын құбылыс. Электромагниттік индукция нәтижесіндегі электр қозғаушы күш дене статикалық және біркелкі емес магнит өрісінде қозғалса немесе магнит өрісінде оның сызықтары тұйық контурмен қиылысатындай айналатын болса да пайда болады.
Индукцияланған электр тогы
«Индукция» ұғымында басқа процестің әсер етуінің нәтижесінде процестің пайда болуы түсініледі. Мысалы, электр тогы индукциялануы мүмкін, яғни ол өткізгішті магнит өрісіне ерекше әсер ету нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Мұндай электр тогы индукциялық деп аталады. Электромагниттік индукция құбылысының нәтижесінде электр тогының пайда болу шарттары мақалада кейінірек қарастырылады.
Магниттік өріс туралы түсінік
БұрынЭлектромагниттік индукция құбылысын зерттеуді бастау үшін магнит өрісінің не екенін түсіну қажет. Қарапайым тілмен айтқанда, магнит өрісі - бұл магниттік материал өзінің магниттік әсерлері мен қасиеттерін көрсететін кеңістік аймағы. Кеңістіктің бұл аймағын магниттік өріс сызықтары деп аталатын сызықтар арқылы бейнелеуге болады. Бұл сызықтардың саны магнит ағыны деп аталатын физикалық шаманы білдіреді. Магнит өрісінің сызықтары тұйық, олар магниттің солтүстік полюсінен басталып, оңтүстікте аяқталады.
Магнит өрісінің магниттік қасиеттері бар кез келген материалдарға, мысалы, электр тогының темір өткізгіштеріне әсер ету мүмкіндігі бар. Бұл өріс магниттік индукциямен сипатталады, ол В деп белгіленеді және тесламен (Т) өлшенеді. 1 Т магниттік индукция дегеніміз 1 кулондық нүктелік зарядқа 1 Ньютон күшпен әсер ететін, магнит өрісінің сызықтарына перпендикуляр 1 м/с жылдамдықпен ұшатын өте күшті магнит өрісі, яғни 1 Т.=1 Ns / (mCl).
Электромагниттік индукция құбылысын кім ашты?
Принципіне көптеген заманауи құрылғылар негізделген электромагниттік индукция XIX ғасырдың 30-жылдарының басында ашылды. Электромагниттік индукция құбылысының ашылуы әдетте Майкл Фарадейге (ашылған күні – 1831 ж. 29 тамыз) жатады. Ғалым дат физигі және химигі Ганс Эрстедтің эксперименттерінің нәтижелеріне негізделген, ол арқылы электр тогы өтетін өткізгіш пайда болады.айналасында магнит өрісі, яғни ол магниттік қасиеттерді көрсете бастайды.
Фарадей өз кезегінде Эрстед ашқан құбылыстың қарама-қайшысын ашты. Ол өткізгіштегі электр тогының параметрлерін өзгерту арқылы жасалуы мүмкін өзгермелі магнит өрісі кез келген ток өткізгіштің ұштарында потенциалдар айырмасының пайда болуына әкелетінін байқады. Егер бұл ұштар, мысалы, электр шамы арқылы жалғанса, мұндай тізбек арқылы электр тогы өтеді.
Нәтижесінде Фарадей физикалық процесті ашты, нәтижесінде магнит өрісінің өзгеруінен өткізгіште электр тогы пайда болады, бұл электромагниттік индукция құбылысы. Сонымен бірге индукциялық токтың пайда болуы үшін не қозғалатыны маңызды емес: магнит өрісі немесе өткізгіштің өзі. Мұны электромагниттік индукция құбылысына сәйкес эксперимент жүргізу арқылы оңай көрсетуге болады. Сонымен, магнитті металл спиральдың ішіне орналастырып, біз оны жылжыта бастаймыз. Спиральдың ұштарын электр тогының кейбір индикаторы арқылы тізбекке қоссаңыз, токтың пайда болуын көруге болады. Енді магнитті жалғыз қалдырып, спиралды магнитке қатысты жоғары және төмен жылжыту керек. Сондай-ақ индикатор тізбекте ток бар екенін көрсетеді.
Фарадей тәжірибесі
Фарадей тәжірибелері өткізгішпен және тұрақты магнитпен жұмыс істеуден тұрды. Майкл Фарадей алғаш рет өткізгіш магнит өрісінің ішінде қозғалғанда оның ұштарында потенциалдар айырмасы пайда болатынын анықтады. Қозғалыс өткізгіш магнит өрісінің сызықтарын кесіп өте бастайды, ол симуляциялайдыосы өрісті өзгертудің әсері.
Ғалым пайда болған потенциалдар айырмасының оң және теріс белгілері өткізгіштің қозғалу бағытына байланысты екенін анықтады. Мысалы, егер өткізгіш магнит өрісінде көтерілсе, онда пайда болатын потенциалдар айырмасы +- полярлыққа ие болады, бірақ егер бұл өткізгіш төмендетілсе, онда біз қазірдің өзінде -+ полярлықты аламыз. Айырмашылығы электр қозғаушы күш (ЭҚК) деп аталатын потенциалдар таңбасының бұл өзгерістері тұйық контурда айнымалы токтың, яғни өз бағытын үнемі керісінше өзгертетін токтың пайда болуына әкеледі.
Фарадей ашқан электромагниттік индукцияның ерекшеліктері
Электромагниттік индукция құбылысын кім ашқан және индукциялық ток неліктен бар екенін біле отырып, біз бұл құбылыстың кейбір ерекшеліктерін түсіндіреміз. Сонымен, өткізгішті магнит өрісінде неғұрлым жылдам жылжытсаңыз, контурдағы индукциялық токтың мәні соғұрлым көп болады. Құбылыстың тағы бір ерекшелігі мынада: өрістің магниттік индукциясы неғұрлым көп болса, яғни бұл өріс неғұрлым күшті болса, өрісте өткізгішті жылжытқанда оның потенциалдар айырмасы соғұрлым көп болады. Өткізгіш магнит өрісінде тыныштықта болса, онда ЭҚК пайда болмайды, өйткені өткізгішті қиып өтетін магнит индукциясының сызықтарында өзгеріс болмайды.
Электр тогының бағыты және сол қол ережесі
Электромагниттік индукция құбылысы нәтижесінде пайда болған электр тогының өткізгіштегі бағытын анықтау үшінсол қол ережесін қолданыңыз. Оны былай тұжырымдауға болады: егер сол қол магниттің солтүстік полюсінде басталатын магниттік индукция сызықтары алақанға енетіндей етіп қойылса, ал шығыңқы бас бармақ өткізгіштің қозғалыс бағытына бағытталған болса. магнит өрісі, содан кейін сол қолдың қалған төрт саусағы өткізгіштегі индукциялық токтың қозғалыс бағытын көрсетеді.
Бұл ереженің тағы бір нұсқасы бар, ол келесідей: егер сол қолдың сұқ саусағы магниттік индукция сызықтары бойынша бағытталса, ал шығыңқы бас бармақ өткізгіштің бағытына бағытталған болса, онда ортаңғы саусақ алақанға 90 градусқа бұрылса, өткізгіште пайда болған ток бағытын көрсетеді.
Өздік индукция құбылысы
Ганс Кристиан Эрстед ток бар өткізгіштің немесе катушканың айналасында магнит өрісінің бар екенін анықтады. Ғалым бұл өрістің сипаттамасы ток күші мен оның бағытына тікелей байланысты екенін де анықтады. Егер катушкадағы немесе өткізгіштегі ток айнымалы болса, онда ол тұрақты болмайтын магнит өрісін тудырады, яғни ол өзгереді. Өз кезегінде бұл айнымалы өріс индукциялық токтың (электромагниттік индукция құбылысы) пайда болуына әкеледі. Индукциялық токтың қозғалысы әрқашан өткізгіш арқылы айналатын айнымалы токқа қарама-қарсы болады, яғни ол өткізгіштегі немесе катушкалардағы ток бағытының әрбір өзгеруіне қарсы тұрады. Бұл процесс өзіндік индукция деп аталады. Нәтижесінде электрлік айырмашылықпотенциалдар өзіндік индукцияның ЭҚК деп аталады.
Өздігінен индукция құбылысы ток бағыты өзгергенде ғана емес, сонымен қатар ол өзгергенде, мысалы, тізбектегі кедергінің төмендеуіне байланысты өскенде де болатынын ескеріңіз.
Тізбектегі токтың өзіндік индукцияға байланысты кез келген өзгерісі әсер ететін кедергінің физикалық сипаттамасы үшін индуктивтілік түсінігі енгізілді, ол генримен өлшенеді (американ физигі Джозеф Генридің құрметіне). Бір генри - ток күші 1 секундта 1 амперге өзгерген кезде, өздігінен индукция процесінде 1 вольтке тең ЭҚК пайда болатын индуктивтілік.
Айнымалы ток
Индуктор магнит өрісінде айнала бастағанда электромагниттік индукция құбылысы нәтижесінде индукциялық ток пайда болады. Бұл электр тогы айнымалы, яғни ол бағытты жүйелі түрде өзгертеді.
Айнымалы ток тұрақты токқа қарағанда жиі кездеседі. Сонымен, орталық электр желісінен жұмыс істейтін көптеген құрылғылар токтың осы түрін пайдаланады. Айнымалы токты индукциялау және тасымалдау тұрақты токқа қарағанда оңайырақ. Әдетте, тұрмыстық айнымалы токтың жиілігі 50-60 Гц құрайды, яғни 1 секундта оның бағыты 50-60 есе өзгереді.
Айнымалы токтың геометриялық көрінісі кернеудің уақытқа тәуелділігін сипаттайтын синусоидалы қисық болып табылады. Тұрмыстық ток үшін синусоидальды қисық сызығының толық кезеңі шамамен 20 миллисекундты құрайды. Жылу эффектісі бойынша айнымалы ток токқа ұқсасТұрақты ток, кернеуі Umax/√2, мұндағы Umax – айнымалы ток синусоидалы қисығындағы максималды кернеу.
Технологияда электромагниттік индукцияны қолдану
Электромагниттік индукция құбылысының ашылуы технологияның дамуында нағыз серпіліс туғызды. Бұл ашылымға дейін адамдар электрлік батареяларды пайдаланып, шектеулі мөлшерде ғана электр энергиясын өндіре алатын.
Қазіргі уақытта бұл физикалық құбылыс электр трансформаторларында, индукциялық токты жылуға айналдыратын қыздырғыштарда, электр қозғалтқыштары мен автомобиль генераторларында қолданылады.
