νέα

Η αρχή λειτουργίας της επαγωγής είναι πολύ αφηρημένη. Για να εξηγήσουμε τι είναι η επαγωγή, ξεκινάμε από το βασικό φυσικό φαινόμενο.

1. Δύο φαινόμενα και ένας νόμος: μαγνητισμός που προκαλείται από ηλεκτρισμό, ηλεκτρισμός που προκαλείται από μαγνητισμό και νόμος του Lenz

1.1 Ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο

Υπάρχει ένα πείραμα στη φυσική του γυμνασίου: όταν μια μικρή μαγνητική βελόνα τοποθετείται δίπλα σε έναν αγωγό με ρεύμα, η κατεύθυνση της μικρής μαγνητικής βελόνας εκτρέπεται, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει μαγνητικό πεδίο γύρω από το ρεύμα. Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Δανό φυσικό Oersted το 1820.

Αν τυλίγουμε τον αγωγό σε κύκλο, τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από κάθε κύκλο του αγωγού μπορεί να επικαλύπτονται και το συνολικό μαγνητικό πεδίο θα γίνει ισχυρότερο, το οποίο μπορεί να προσελκύει μικρά αντικείμενα. Στο σχήμα, το πηνίο ενεργοποιείται με ρεύμα 2~3Α. Σημειώστε ότι το εμαγιέ σύρμα έχει ένα ονομαστικό όριο ρεύματος, διαφορετικά θα λιώσει λόγω της υψηλής θερμοκρασίας.

2. Φαινόμενο μαγνητοηλεκτρισμού

Το 1831, ο Βρετανός επιστήμονας Faraday ανακάλυψε ότι όταν ένα μέρος του αγωγού ενός κλειστού κυκλώματος κινείται για να κόψει το μαγνητικό πεδίο, θα παράγεται ηλεκτρισμός στον αγωγό. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι το κύκλωμα και το μαγνητικό πεδίο να βρίσκονται σε ένα σχετικά μεταβαλλόμενο περιβάλλον, επομένως ονομάζεται «δυναμικός» μαγνητοηλεκτρισμός και το παραγόμενο ρεύμα ονομάζεται επαγόμενο ρεύμα.

Μπορούμε να κάνουμε ένα πείραμα με έναν κινητήρα. Σε έναν κοινό κινητήρα με βούρτσα DC, το τμήμα του στάτορα είναι ένας μόνιμος μαγνήτης και το τμήμα του ρότορα είναι ένας αγωγός πηνίου. Η χειροκίνητη περιστροφή του ρότορα σημαίνει ότι ο αγωγός κινείται για να κόψει τις μαγνητικές γραμμές δύναμης. Χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο για τη σύνδεση των δύο ηλεκτροδίων του κινητήρα, μπορεί να μετρηθεί η αλλαγή τάσης. Η γεννήτρια κατασκευάζεται με βάση αυτή την αρχή.

3. Νόμος του Lenz

Νόμος του Lenz: Η κατεύθυνση του επαγόμενου ρεύματος που δημιουργείται από την αλλαγή της μαγνητικής ροής είναι η κατεύθυνση που αντιτίθεται στην αλλαγή της μαγνητικής ροής.

Μια απλή κατανόηση αυτής της πρότασης είναι: όταν το μαγνητικό πεδίο (εξωτερικό μαγνητικό πεδίο) του περιβάλλοντος του αγωγού γίνεται ισχυρότερο, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το επαγόμενο ρεύμα του είναι αντίθετο από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, καθιστώντας το συνολικό μαγνητικό πεδίο ασθενέστερο από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Όταν το μαγνητικό πεδίο (εξωτερικό μαγνητικό πεδίο) του περιβάλλοντος του αγωγού γίνεται ασθενέστερο, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το επαγόμενο ρεύμα του είναι αντίθετο από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, καθιστώντας το συνολικό μαγνητικό πεδίο ισχυρότερο από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Ο νόμος του Lenz μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης του επαγόμενου ρεύματος στο κύκλωμα.

2. Πηνίο σπειροειδούς σωλήνα – εξηγώντας πώς λειτουργούν οι επαγωγείς Με τη γνώση των παραπάνω δύο φαινομένων και ενός νόμου, ας δούμε πώς λειτουργούν οι επαγωγείς.

Ο απλούστερος επαγωγέας είναι ένα πηνίο σπειροειδούς σωλήνα:

Κατάσταση κατά την ενεργοποίηση

Κόβουμε ένα μικρό τμήμα του σπειροειδούς σωλήνα και μπορούμε να δούμε δύο πηνία, το πηνίο Α και το πηνίο Β:

Κατά τη διαδικασία ενεργοποίησης, η κατάσταση έχει ως εξής:

① Το πηνίο Α διέρχεται από ένα ρεύμα, υποθέτοντας ότι η κατεύθυνσή του είναι όπως φαίνεται από την μπλε συνεχή γραμμή, η οποία ονομάζεται ρεύμα εξωτερικής διέγερσης.
②Σύμφωνα με την αρχή του ηλεκτρομαγνητισμού, το εξωτερικό ρεύμα διέγερσης δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο αρχίζει να εξαπλώνεται στον περιβάλλοντα χώρο και καλύπτει το πηνίο Β, το οποίο ισοδυναμεί με το πηνίο Β που κόβει τις μαγνητικές γραμμές δύναμης, όπως φαίνεται από την μπλε διακεκομμένη γραμμή.
③Σύμφωνα με την αρχή του μαγνητοηλεκτρισμού, δημιουργείται ένα επαγόμενο ρεύμα στο πηνίο Β και η κατεύθυνση του είναι όπως φαίνεται από την πράσινη συμπαγή γραμμή, η οποία είναι αντίθετη από το εξωτερικό ρεύμα διέγερσης.
④Σύμφωνα με το νόμο του Lenz, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το επαγόμενο ρεύμα είναι για να εξουδετερώσει το μαγνητικό πεδίο του εξωτερικού ρεύματος διέγερσης, όπως φαίνεται από την πράσινη διακεκομμένη γραμμή.

Η κατάσταση μετά την ενεργοποίηση είναι σταθερή (DC)

Αφού η ενεργοποίηση είναι σταθερή, το εξωτερικό ρεύμα διέγερσης του πηνίου Α είναι σταθερό και το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί είναι επίσης σταθερό. Το μαγνητικό πεδίο δεν έχει σχετική κίνηση με το πηνίο Β, επομένως δεν υπάρχει μαγνητοηλεκτρισμός και δεν υπάρχει ρεύμα που αντιπροσωπεύεται από την πράσινη συμπαγή γραμμή. Αυτή τη στιγμή, ο επαγωγέας ισοδυναμεί με βραχυκύκλωμα για εξωτερική διέγερση.

3. Χαρακτηριστικά επαγωγής: το ρεύμα δεν μπορεί να αλλάξει ξαφνικά

Αφού καταλάβαμε πώς έναςεπαγωγέαςλειτουργεί, ας δούμε το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό του – το ρεύμα στο πηνίο δεν μπορεί να αλλάξει ξαφνικά.

Στο σχήμα, ο οριζόντιος άξονας της δεξιάς καμπύλης είναι ο χρόνος και ο κατακόρυφος άξονας είναι το ρεύμα στον επαγωγέα. Ως αρχή του χρόνου λαμβάνεται η στιγμή που ο διακόπτης κλείνει.

Μπορεί να φανεί ότι: 1. Τη στιγμή που ο διακόπτης είναι κλειστός, το ρεύμα στο πηνίο είναι 0A, το οποίο ισοδυναμεί με το πηνίο που είναι ανοιχτό κύκλωμα. Αυτό συμβαίνει επειδή το στιγμιαίο ρεύμα αλλάζει απότομα, το οποίο θα δημιουργήσει ένα τεράστιο επαγόμενο ρεύμα (πράσινο) για να αντισταθεί στο εξωτερικό ρεύμα διέγερσης (μπλε).

2. Κατά τη διαδικασία επίτευξης σταθερής κατάστασης, το ρεύμα στον επαγωγέα αλλάζει εκθετικά.

3. Αφού φτάσει σε σταθερή κατάσταση, το ρεύμα στο πηνίο είναι I=E/R, το οποίο ισοδυναμεί με το βραχυκύκλωμα του επαγωγέα.

4. Αντίστοιχη στο επαγόμενο ρεύμα είναι η επαγόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη, η οποία δρα για να εξουδετερώσει το E, γι' αυτό ονομάζεται Back EMF (αντίστροφη ηλεκτροκινητική δύναμη).

4. Τι ακριβώς είναι η επαγωγή;

Η επαγωγή χρησιμοποιείται για να περιγράψει την ικανότητα μιας συσκευής να αντιστέκεται στις τρέχουσες αλλαγές. Όσο ισχυρότερη είναι η ικανότητα αντίστασης στις αλλαγές ρεύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η επαγωγή και αντίστροφα.

Για τη διέγερση συνεχούς ρεύματος, ο επαγωγέας είναι τελικά σε κατάσταση βραχυκυκλώματος (η τάση είναι 0). Ωστόσο, κατά τη διαδικασία ενεργοποίησης, η τάση και το ρεύμα δεν είναι 0, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει ισχύς. Η διαδικασία συσσώρευσης αυτής της ενέργειας ονομάζεται φόρτιση. Αποθηκεύει αυτή την ενέργεια με τη μορφή μαγνητικού πεδίου και απελευθερώνει ενέργεια όταν χρειάζεται (όπως όταν η εξωτερική διέγερση δεν μπορεί να διατηρήσει το τρέχον μέγεθος σε σταθερή κατάσταση).

Οι επαγωγείς είναι αδρανειακές συσκευές στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Στις αδρανειακές συσκευές δεν αρέσουν οι αλλαγές, όπως και οι σφόνδυλοι στη δυναμική. Είναι δύσκολο να αρχίσουν να γυρίζουν στην αρχή, και μόλις αρχίσουν να περιστρέφονται, είναι δύσκολο να σταματήσουν. Η όλη διαδικασία συνοδεύεται από μετατροπή ενέργειας.

Εάν ενδιαφέρεστε, επισκεφθείτε την ιστοσελίδαwww.tclmdcoils.com.