Un'applicazione pratica della legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica
La parola "induzione" in russo significa i processi di eccitazione, direzione, creazione di qualcosa. Nell'ingegneria elettrica, questo termine è stato utilizzato per più di due secoli.
Dopo aver letto le pubblicazioni del 1821 che descrivono gli esperimenti dello scienziato danese Oersted sulle deviazioni di un ago magnetico vicino a un conduttore percorso da corrente elettrica, Michael Faraday si è posto il compito: convertire il magnetismo in elettricità.
Dopo 10 anni di ricerca, ha formulato la legge fondamentale dell'induzione elettromagnetica, spiegando che una forza elettromotrice è indotta in ogni anello chiuso. Il suo valore è determinato dalla velocità di variazione del flusso magnetico che penetra nell'anello considerato, ma preso con un segno meno.
Trasmissione di onde elettromagnetiche a distanza
La prima ipotesi che è venuta in mente allo scienziato non è stata coronata da un successo pratico.
Mise due fili chiusi uno accanto all'altro.Vicino a uno ho installato un ago magnetico come indicatore della corrente di passaggio, e nell'altro filo ho dato un impulso da una potente sorgente galvanica di quel tempo: un polo di volt.
Il ricercatore ha ipotizzato che con un impulso di corrente nel primo circuito, il campo magnetico variabile in esso indurrebbe una corrente nel secondo filo, che devierebbe l'ago magnetico. Ma il risultato si è rivelato negativo: l'indicatore non funziona. Piuttosto, gli mancava la sensibilità.
Il cervello dello scienziato prevede la creazione e la trasmissione di onde elettromagnetiche a distanza, che ora vengono utilizzate nelle trasmissioni radiofoniche, televisive, controllo wireless, tecnologie Wi-Fi e dispositivi simili. Era semplicemente frustrato dalla base di elementi imperfetti dei dispositivi di misurazione di quel tempo.
Produzione di energia elettrica
Dopo un brutto esperimento, Michael Faraday ha cambiato le condizioni dell'esperimento.
Per l'esperimento, Faraday ha utilizzato due bobine a circuito chiuso. Nel primo circuito ha alimentato una corrente elettrica da una sorgente, e nel secondo ha osservato la comparsa di un campo elettromagnetico. La corrente che passa attraverso le spire della bobina n. 1 crea un flusso magnetico attorno alla bobina, penetra nella bobina n. 2 e forma in essa una forza elettromotrice.
Durante l'esperimento di Faraday:
- attivare un impulso per fornire tensione al circuito con bobine fisse;
- quando la corrente veniva applicata, introduceva la bobina superiore nella bobina inferiore;
- fissò la bobina n. 1 in modo permanente e vi introdusse la bobina n. 2;
- ha cambiato la velocità di movimento delle bobine l'una rispetto all'altra.
In tutti questi casi ha osservato la manifestazione dell'induzione EMF nella seconda bobina. E con solo la corrente continua che passava attraverso l'avvolgimento n. 1 e le bobine fisse, non c'era forza elettromotrice.
Lo scienziato ha stabilito che l'EMF indotto nella seconda bobina dipende dalla velocità con cui cambia il flusso magnetico. È proporzionale alle sue dimensioni.
Lo stesso modello si manifesta pienamente quando si passa un ciclo chiuso linee del campo magnetico di un magnete permanente. Sotto l'influenza dell'EMF, viene generata una corrente elettrica nel filo.
Il flusso magnetico nel caso considerato cambia nel circuito Sk creato da un circuito chiuso.
Pertanto, lo sviluppo creato da Faraday ha permesso di posizionare un telaio conduttivo rotante in un campo magnetico.
Quindi è stato realizzato con un gran numero di spire fissate cuscinetti rotanti... Alle estremità della bobina sono stati installati anelli collettori e spazzole che scorrono su di essi e un carico è stato collegato attraverso i terminali dell'alloggiamento. Il risultato è un alternatore moderno.
Il suo design più semplice viene creato quando la bobina è fissata su un alloggiamento fisso e il sistema magnetico inizia a ruotare. In questo caso, il metodo di generazione delle correnti è dovuto a induzione elettromagnetica non violato in alcun modo.
Il principio di funzionamento dei motori elettrici
La legge dell'induzione elettromagnetica, di cui Michael Faraday è stato il pioniere, consente una varietà di progetti di motori elettrici. Hanno una struttura simile ai generatori: un rotore e uno statore mobili che interagiscono tra loro a causa dei campi elettromagnetici rotanti.
La corrente elettrica passa solo attraverso l'avvolgimento dello statore del motore elettrico. Induce un flusso magnetico che influenza il campo magnetico del rotore. Di conseguenza, sorgono forze che fanno ruotare l'albero motore. Vedi su questo argomento - Il principio di funzionamento e il dispositivo del motore elettrico
Trasformazione elettrica
Michael Faraday determinò la comparsa di una forza elettromotrice indotta e di una corrente indotta in una bobina vicina quando il campo magnetico nella bobina vicina cambiava.
La corrente nella bobina vicina viene indotta quando il circuito di commutazione è acceso nella bobina 1 ed è sempre presente durante il funzionamento del generatore alla bobina 3.
Il funzionamento di tutti i moderni dispositivi di trasformazione si basa su questa proprietà, la cosiddetta induzione reciproca.
I trasformatori, per mutua induzione, trasferiscono l'energia di un campo elettromagnetico alternato da una bobina all'altra, quindi si verifica un cambiamento, una trasformazione del valore di tensione ai suoi terminali di ingresso e di uscita.
Il rapporto tra il numero di spire negli avvolgimenti determina il coefficiente di trasformazione e lo spessore del filo, la costruzione e il volume del materiale del nucleo: il valore della potenza trasmessa, la corrente operativa.
Funzionamento degli induttori
La manifestazione dell'induzione elettromagnetica si osserva nella bobina quando cambia il valore della corrente che scorre in essa. Questo processo è chiamato autoinduzione.
Quando l'interruttore è acceso nel diagramma sopra, la corrente indotta cambia il carattere dell'aumento lineare della corrente operativa nel circuito, così come durante lo spegnimento.
Quando non viene applicata una tensione costante, ma alternata al filo avvolto nella bobina, allora il valore della corrente, ridotto dalla resistenza induttiva, lo attraversa.L'energia di autoinduzione sfasa la corrente rispetto alla tensione applicata.
Questo fenomeno viene utilizzato nelle bobine progettate per ridurre le grandi correnti che si verificano in determinate condizioni operative. In particolare, vengono utilizzati tali dispositivi nel circuito per l'illuminazione di lampade fluorescenti.
La caratteristica del design del circuito magnetico dello starter è il ritaglio delle piastre, creato per aumentare ulteriormente la resistenza magnetica al flusso magnetico dovuto alla formazione di un traferro.
Le bobine d'arresto con posizione del circuito magnetico divisa e regolabile sono utilizzate in molti dispositivi radio ed elettrici. Molto spesso possono essere trovati nella costruzione di trasformatori di saldatura. Riducono l'intensità dell'arco elettrico passato attraverso l'elettrodo al valore ottimale.
Forni a induzione
Il fenomeno dell'induzione elettromagnetica si manifesta non solo in fili e bobine, ma anche all'interno di oggetti metallici massicci. Le correnti indotte in essi sono generalmente chiamate correnti parassite e, durante il funzionamento di trasformatori e induttanze, provocano il riscaldamento del circuito magnetico e dell'intera struttura.
Per evitare questo fenomeno, i nuclei sono realizzati con sottili lamiere metalliche e isolati con uno strato di vernice, che impedisce il passaggio di correnti indotte.
Nelle strutture di riscaldamento le correnti parassite non limitano, ma creano le condizioni più favorevoli per il loro passaggio. Forni a induzione sono ampiamente utilizzati nella produzione industriale per creare temperature elevate.
Dispositivi di misura elettrotecnici
Un'ampia classe di dispositivi a induzione continua a funzionare in elettricità.Contatori elettrici con disco rotante in alluminio simile alla costruzione di un relè di potenza, sistemi a quadrante smorzante, funzionano secondo il principio dell'induzione elettromagnetica.
Generatori magnetici a gas
Se, invece di un telaio chiuso, un gas conduttivo, liquido o plasma si muove nel campo di un magnete, allora le cariche elettriche sotto l'azione delle linee del campo magnetico inizieranno a deviare in direzioni rigorosamente definite, formando una corrente elettrica. Il suo campo magnetico sulle piastre di contatto degli elettrodi montati induce una forza elettromotrice. Sotto la sua azione, viene generata una corrente elettrica nel circuito collegato al generatore MHD.
Pertanto, la legge dell'induzione elettromagnetica si manifesta nei generatori MHD.
Non ci sono parti rotanti complicate come il rotore. Ciò semplifica la progettazione, consente di aumentare notevolmente la temperatura dell'ambiente di lavoro e allo stesso tempo l'efficienza della generazione di elettricità. I generatori MHD funzionano come fonti di backup o di emergenza in grado di generare flussi significativi di elettricità per brevi periodi di tempo.
Pertanto, la legge dell'induzione elettromagnetica, confermata un tempo da Michael Faraday, continua ad essere rilevante oggi.