Faradayn sähkömagneettisen induktion laki on sähködynamiikan peruslaki , joka koskee muuntajien , kuristimien , monentyyppisten sähkömoottoreiden ja generaattoreiden toimintaperiaatteita . [1] Laissa sanotaan:
tai toisin sanoen:
Tässä tapauksessa induktiovirta suunnataan siten, että sen toiminta on päinvastainen kuin tämän virran aiheuttaneen syyn toiminta ( Lenzin sääntö ). [2]
Michael Faraday ja Joseph Henry löysivät sähkömagneettisen induktion itsenäisesti vuonna 1831, mutta Faraday julkaisi ensimmäisenä kokeidensa tulokset [3] [4] .
Ensimmäisessä kokeellisessa sähkömagneettisen induktion esittelyssä (elokuu 1831) Faraday kietoi kaksi johtoa rautatoruksen vastakkaisille puolille (malli, joka muistuttaa nykyaikaista muuntajaa ). Hiljattain löydetyn sähkömagneetin ominaisuuden arvionsa perusteella hän odotti, että kun virta kytketään yhteen erityislaatuiseen johtimeen, aalto kulkisi toruksen läpi ja aiheuttaisi jonkin verran sähköistä vaikutusta sen vastakkaiselle puolelle. Hän liitti yhden johdon galvanometriin ja katsoi sitä samalla kun toinen johto oli kytketty akkuun. Todellakin, hän näki lyhyen virtapiikin (jota hän kutsui "sähkön aalloksi"), kun hän liitti johdon akkuun, ja toisen samanlaisen virran, kun hän irrotti sen. [5] Kahden kuukauden kuluessa Faraday löysi useita muita sähkömagneettisen induktion ilmentymiä. Esimerkiksi hän näki virtapiikkejä, kun hän työnsi nopeasti magneetin kelaan ja veti sen takaisin ulos, hän loi tasavirran kuparilevyyn, joka pyörii lähellä magneettia liukuvalla sähköjohdolla (" Faraday-levy ") [6] .
Faraday selitti sähkömagneettista induktiota niin sanottujen voimalinjojen käsitteellä . Suurin osa sen ajan tiedemiehistä kuitenkin hylkäsi hänen teoreettiset ajatuksensa pääasiassa siksi, että niitä ei muotoiltu matemaattisesti. [7] Poikkeuksena oli Maxwell , joka käytti Faradayn ideoita kvantitatiivisen sähkömagneettisen teoriansa perustana. [7] [8] [9] Maxwellin teoksissa sähkömagneettisen induktion aikavaihtelun aspekti ilmaistaan differentiaaliyhtälöiden muodossa. Oliver Heaviside kutsui tätä Faradayn laiksi, vaikka se eroaakin muodoltaan jonkin verran Faradayn lain alkuperäisestä versiosta eikä ota huomioon EMF:n induktiota liikkeen aikana. Heavisiden versio on eräänlainen muoto yhtälöryhmästä, joka tunnetaan nykyään Maxwellin yhtälöinä .
Emil Khristianovitš Lenz muotoili vuonna 1834 lain (Lenzin sääntö) , joka kuvaa "virtausta piirin läpi" ja antaa indusoidun emf:n ja virran suunnan sähkömagneettisen induktion seurauksena.
Jotkut fyysikot huomauttavat, että Faradayn laki kuvaa kahta eri ilmiötä yhdessä yhtälössä: moottorin EMF , joka syntyy magneettisen voiman vaikutuksesta liikkuvaan johtoon, ja muuntajan EMF , joka syntyy magneettikentän muutoksesta johtuvan sähkövoiman vaikutuksesta. James Clerk Maxwell kiinnitti huomiota tähän tosiasiaan kirjassaan On Physical Lines of Force vuonna 1861. Tämän teoksen II osan toisella puoliskolla Maxwell antaa erillisen fyysisen selityksen jokaiselle näistä kahdesta ilmiöstä. Joistakin nykyaikaisista oppikirjoista löytyy viittauksia näihin kahteen sähkömagneettisen induktion aspektiin. [11] Kuten Richard Feynman kirjoittaa: [12]
Tämän näennäisen kaksijakoisuuden heijastaminen oli yksi tärkeimmistä tavoista, joka johti Einsteinin kehittämään erityistä suhteellisuusteoriaa :
Yleisessä tapauksessa selitys motiivin EMF :n esiintymisestä magneettisen voiman vaikutuksesta varauksiin liikkuvassa johdossa tai piirissä, joka muuttaa sen pinta-alaa, on epätyydyttävä. Todellakin, johdossa tai piirissä olevat varaukset voivat puuttua kokonaan, katoaako itse sähkömagneettisen induktion vaikutus tässä tapauksessa? Tätä tilannetta analysoidaan artikkelissa, jossa sähkömagneettisen kentän integraaliyhtälöitä kirjoitettaessa neliulotteiseen kovarianttimuotoon Faradayn lain osittaisen aikaderivaatan sijaan ilmestyy piirin läpi kulkevan magneettivuon kokonaisaikaderivaata. . [14] Näin ollen sähkömagneettista induktiota tapahtuu joko kun magneettikenttä muuttuu ajan myötä tai kun piirin pinta-ala muuttuu. Fysikaalisesta näkökulmasta on parempi puhua ei induktion EMF:stä, vaan indusoidusta sähkökentän voimakkuudesta , joka tapahtuu piirissä, kun magneettivuo muuttuu. Tässä tapauksessa magneettikentän muutoksen myötävaikutus suoritetaan termillä , jossa on vektoripotentiaali. Jos ääriviivan pinta-ala muuttuu jatkuvalla magneettikentällä, niin jokin osa muodosta väistämättä liikkuu, ja tässä ääriviivan osassa siihen liittyvässä vertailukehyksessä K' syntyy sähkökenttä - seurauksena kiinteässä vertailukehyksessä K , risteyspiirissä olevan magneettikentän Lorentz-muunnos . Kentän olemassaolo K':ssä katsotaan seuraukseksi induktion vaikutuksesta liikkuvassa piirissä, riippumatta siitä, onko piirissä varauksia vai ei. Johtavassa piirissä kenttä saa varaukset liikkeelle. Tämä näyttää viitekehyksessä K induktioemf:n ilmentymäksi , jonka gradientti ääriviivaa pitkin otettuna muotona muodostaa kentän .
Faradayn sähkömagneettisen induktion laki käyttää magneettivuon Φ B käsitettä pinnan Σ läpi, joka määritellään pintaintegraalina :
missä d S on pinta-alkion Σ( t ) pinta-ala, B on magneettikenttä ja B · d S on B :n ja dS : n skalaaritulo . Pinnalla oletetaan olevan "suu", joka määritellään suljetulla käyrällä, joka on merkitty ∂Σ( t ). Faradayn induktiolaki sanoo, että kun virtaus muuttuu, silloin kun yksikköpositiivinen testivaraus liikkuu suljettua käyrää ∂Σ pitkin, syntyy emf , jonka arvo määräytyy kaavasta:
missä on sähkömotorisen voiman (EMF ) suuruus voltteina ja Φ B on magneettivuo webereissä . Sähkömotorisen voiman suunta määräytyy Lenzin lain mukaan .
Tiukasti kierretylle kelalle, joka sisältää N kierrosta, joilla kullakin on sama magneettivuo ΦB , Faradayn induktiolaki sanoo, että :
missä N on langan kierrosten lukumäärä, Φ B on magneettivuo webereinä kierrosta kohti.
Valitun polun ∂Σ( t ) EMF:n löytämiseksi on täytettävä kaksi perusvaatimusta: (i) polun on oltava suljettu ja (ii) polun on katettava ääriviivaosien suhteellinen liike ( t - riippuvuuden alkuperä). ∂Σ( t )). Se ei koske vaatimuksia, että polun on oltava sama kuin nykyinen linja, mutta tietysti EMF, joka on virtauslain mukainen, lasketaan valittua polkua pitkin. Jos polku ei vastaa nykyistä linjaa, laskettu EMF ei välttämättä ole sama EMF, joka aiheuttaa virran.
Tarkastellaan kuvan 3 tapausta, jossa xy -tasossa oleva suorakaiteen muotoinen suljettu silmukka liikkuu x - akselin suunnassa nopeudella v . Silmukan keskipiste x C täyttää ehdon v = dx C / dt . Silmukan pituus on ℓ y -akselin suunnassa ja leveys w x -akselin suunnassa . Ajasta riippuvainen avaruudellisesti muuttuva magneettikenttä B ( x ) on esitetty z -suunnassa . Magneettikenttä vasemmalla on B ( x C - w / 2 ) ja oikealla puolella on B ( x C + w / 2 ). Sähkömotorinen voima voidaan löytää käyttäen joko Lorentzin lakia tai vastaavasti edellä olevaa Faradayn induktiolakia.
Varaus q johtimessa silmukan vasemmalla puolella kokee Lorentzin voiman q v × B k = − qv B(x C − w / 2) j ( j, k ovat yksikkövektorit y- ja z-suunnassa ; katso vektorien ristitulo ), joka aiheuttaa EMF:n (työ yksikkövarausta kohti) v ℓ B(x C − w / 2) koko silmukan vasemman puolen pituudella. Silmukan oikealla puolella samanlainen päättely osoittaa, että EMF on v ℓ B(x C + w / 2) . Kaksi vastakkaista EMF:ää työntävät positiivista varausta kohti silmukan pohjaa. Siinä tapauksessa, että kenttä B kasvaa pitkin x, oikealla puolella oleva voima on suurempi ja virta kulkee myötäpäivään. Oikean käden sääntöä käyttämällä saadaan , että virran tuottama kenttä B on vastapäätä käytettyä kenttää. [15] Virran aiheuttavan emf:n täytyy kasvaa vastapäivään (toisin kuin virta). Lisäämällä EMF:n vastapäivään silmukkaa pitkin, löydämme:
Missä tahansa silmukan kohdassa sen läpi kulkeva magneettivuo on:
Etumerkin valinta määräytyy sen mukaan, onko pinnan normaalilla tietyssä pisteessä sama suunta kuin B vai päinvastoin. Jos pintanormaali on samassa suunnassa kuin indusoitunut virtakenttä B , tämä etumerkki on negatiivinen. Virran aikaderivaata (löytyy käyttämällä monimutkaisia funktion differentiointimenetelmiä tai käyttämällä integraalin Leibnizin differentiaatiosääntöä) on:
(jossa v = d x C / d t on silmukan nopeus x-suunnassa), mikä johtaa:
kuten edellisessä tapauksessa.
Näiden kahden lähestymistavan vastaavuus tunnetaan hyvin, ja ratkaistavasta ongelmasta riippuen joko toinen tai toinen menetelmä voi olla käytännöllisempi.
Kuvassa Kuviossa 4 on esitetty kara, joka muodostuu kahdesta kiekosta, joissa on johtavat reunat ja johtimet, jotka on järjestetty pystysuoraan näiden vanteiden väliin. virta syötetään liukukoskettimilla johtaviin vanteisiin. Tämä malli pyörii magneettikentässä, joka on suunnattu säteittäisesti ulospäin ja jolla on sama arvo mihin tahansa suuntaan. eli johtimien hetkellinen nopeus, niissä oleva virta ja magneettinen induktio muodostavat oikean kolminkertaisen, joka saa johtimet pyörimään.
Tässä tapauksessa ampeerivoima vaikuttaa johtimiin ja Lorentz Force vaikuttaa johtimessa olevaan yksikkövaraukseen - magneettisen induktiovektorin B vuo, johtavia vanteita yhdistävissä johtimissa oleva virta suunnataan normaalisti magneettiseen induktioon vektori, niin johtimessa olevaan varaukseen vaikuttava voima on yhtä suuri kuin
missä v = liikkuvan varauksen nopeus [16]
Siksi johtimiin vaikuttava voima
missä l on johtimien pituus
Tässä käytimme B:tä annettuna, itse asiassa se riippuu rakenteen vanteiden geometrisista mitoista, ja tämä arvo voidaan laskea Biot-Savart-Laplacen lain avulla . Tätä tehostetta käytetään myös toisessa laitteessa nimeltä Railgun .
Intuitiivisesti houkutteleva mutta harhaanjohtava lähestymistapa virtaussäännön käyttöön ilmaisee virtauksen piirin läpi muodossa Φ B = B w ℓ, missä w on liikkuvan silmukan leveys.
Tämän lähestymistavan virhe on, että tämä ei ole kehys sanan tavallisessa merkityksessä. Kuvan suorakulmio muodostuu yksittäisistä reunoihin suljetuista johtimista. Kuten kuvasta näkyy, virta kulkee molemmissa johtimissa samaan suuntaan, eli tässä ei ole "suljetun silmukan" käsitettä.
Yksinkertaisin ja ymmärrettävin selitys tälle vaikutukselle on Ampèren voiman käsite . Toisin sanoen pystysuoraa johdinta voi olla vain yksi, jotta se ei johda harhaan. Vaihtoehtoisesti vanteita yhdistävälle akselille voidaan sijoittaa rajallisen paksuinen johdin. Johtimen halkaisijan tulee olla äärellinen ja eri kuin nolla, jotta ampeerin voimamomentti on nollasta poikkeava.
Vaihtuva magneettikenttä luo sähkökentän, joka kuvataan Faraday-Maxwellin yhtälöllä:
|
missä:
tarkoittaa roottoria E - sähkökenttä B on magneettivuon tiheys .Tämä yhtälö on läsnä nykyaikaisessa Maxwellin yhtälöjärjestelmässä , jota usein kutsutaan Faradayn laiksi. Koska se sisältää kuitenkin vain osittaisia derivaattoja ajan suhteen, sen käyttö rajoittuu tilanteisiin, joissa varaus on levossa ajassa muuttuvassa magneettikentässä. Se ei ota huomioon[ selventää ] sähkömagneettinen induktio tapauksissa, joissa varautunut hiukkanen liikkuu magneettikentässä.
Toisessa muodossa Faradayn laki voidaan kirjoittaa Kelvin-Stokesin lauseen integraalimuodossa : [17]
Integrointi vaatii ajasta riippumattoman pinnan Σ (jota pidetään tässä yhteydessä osana osittaisten derivaattojen tulkintaa). Kuten kuvassa näkyy. 6:
Σ on pinta, jota rajoittaa suljettu ääriviiva ∂Σ , ja lisäksi sekä Σ että ∂Σ ovat kiinteitä ajasta riippumatta, E on sähkökenttä, d ℓ on ääriviivan ∂Σ äärettömän pieni alkio , B on magneettikenttä , d A on pintavektorin Σ äärettömän pieni alkio .Elementeillä d ℓ ja d A on määrittelemättömät merkit. Oikeiden etumerkkien asettamiseen käytetään oikean käden sääntöä Kelvin-Stokes-lausetta käsittelevässä artikkelissa kuvatulla tavalla . Tasaiselle pinnalle Σ käyrän ∂Σ polkuelementin d ℓ positiivinen suunta määräytyy oikean käden säännöllä, jonka mukaan oikean käden neljä sormea osoittavat tähän suuntaan, kun peukalo osoittaa normaali n pintaan Σ.
Integraalia ∂Σ :n yläpuolella kutsutaan polkuintegraaliksi tai kaarevalinjaiseksi integraaliksi . Faraday-Maxwell-yhtälön oikealla puolella oleva pintaintegraali on eksplisiittinen lauseke magneettivuolle Φ B Σ : na . Huomaa, että E : n nollasta poikkeava polun integraali eroaa varausten tuottaman sähkökentän käyttäytymisestä. Varauksen synnyttämä E -kenttä voidaan ilmaista skalaarikentän gradienttina , joka on ratkaisu Poissonin yhtälöön ja jolla on nollapolun integraali.
Integraaliyhtälö pätee mille tahansa polulle ∂Σ avaruudessa ja mille tahansa pinnalle Σ , jolle tämä polku on rajana.
Käyttää [18]
ja ottaen huomioon ( Gauss -sarja ), ( Vektoritulo ) ja ( Kelvin-Stokesin lause ), huomaamme, että magneettivuon kokonaisderivaata voidaan ilmaista
Lisäämällä termi Faraday-Maxwell-yhtälön molemmille puolille ja ottamalla käyttöön yllä oleva yhtälö, saamme:
joka on Faradayn laki. Siten Faradayn laki ja Faraday-Maxwell-yhtälöt ovat fyysisesti ekvivalentteja.
Riisi. Kuva 7 esittää tulkintaa magneettisen voiman vaikutuksesta EMF:ään yhtälön vasemmalla puolella. Käyrän ∂Σ janan d ℓ pyyhkäisemä alue ajassa dt liikkuessa nopeudella v on yhtä suuri:
joten magneettivuon ΔΦ B muutos ∂Σ : n rajoittaman pinnan osan läpi ajassa dt on:
ja jos lisäämme nämä ΔΦ B -osuudet silmukan ympärille kaikille segmenteille d ℓ , saamme magneettisen voiman kokonaisosuuden Faradayn lakiin. Eli tämä termi liittyy moottorin EMF:ään.
Palatakseni kuvion esimerkkiin. Kuviossa 3 liikkuvassa vertailukehyksessä paljastuu läheinen suhde E- ja B -kenttien välillä sekä moottorin ja indusoidun EMF:n välillä. [19] Kuvittele tarkkailija liikkuvan silmukan mukana. Tarkkailija laskee EMF:n silmukassa käyttäen sekä Lorentzin että Faradayn sähkömagneettisen induktion lakia. Koska tämä tarkkailija liikkuu silmukan mukana, hän ei näe silmukan liikettä, eli nolla-arvoa v × B . Koska kenttä B kuitenkin muuttuu kohdassa x , liikkuva tarkkailija näkee ajassa muuttuvan magneettikentän, nimittäin:
missä k on yksikkövektori z -suunnassa . [kaksikymmentä]
Lorentzin lakiFaraday-Maxwell-yhtälö sanoo, että liikkuva tarkkailija näkee sähkökentän E y y - akselin suunnassa , joka määräytyy kaavalla:
Sovelletaan monimutkaisen funktion differentiaatiosääntöä :
E y :n ratkaisu vakioon, joka ei lisää mitään silmukkaintegraaliin:
Käyttämällä Lorentzin lakia, jossa on vain sähkökenttäkomponentti, tarkkailija voi laskea EMF:n silmukkaa pitkin ajassa t kaavalla:
ja näemme, että täsmälleen sama tulos löytyy stationääriselle havainnoijalle, joka näkee, että massakeskipiste x C on siirtynyt x C + vt . Liikkuva havainnoija sai kuitenkin tuloksen sellaisen vaikutelman alaisena, että vain sähkökomponentti toimi Lorentzin lain mukaan, kun taas paikallaan oleva tarkkailija luuli, että vain magneettinen komponentti vaikutti.
Faradayn induktiolakiFaradayn induktiolain soveltamiseksi katsotaan tarkkailijaa liikkuvan pisteen x C mukana . Hän näkee muutoksen magneettivuossa, mutta silmukka näyttää hänestä liikkumattomalta: silmukan keskipiste x C on kiinteä, koska havainnoija liikkuu silmukan mukana. Sitten virtaus:
jossa miinusmerkki tulee siitä, että pinnan normaalilla on suunnattu kenttä B vastakkainen. Faradayn induktiolain mukaan EMF on:
ja näemme saman tuloksen. Integroinnissa käytetään aikaderivaattaa, koska integrointirajat ovat ajasta riippumattomia. Jälleen käytetään monimutkaisten funktioiden differentiointimenetelmiä muuttamaan aikaderivaata x -derivaataksi.
Pysyvä tarkkailija näkee EMF:n liikkuvana, kun taas liikkuva tarkkailija luulee sen olevan indusoitunut EMF. [21]
Sähkögeneraattoreiden toiminnan taustalla on ilmiö , jossa syntyy Faradayn induktiolain mukaan syntyvä EMF , joka johtuu piirin suhteellisesta liikkeestä ja magneettikentästä . Jos kestomagneetti liikkuu suhteessa johtimeen tai päinvastoin, johdin liikkuu suhteessa magneetiin, syntyy sähkömotorinen voima. Jos johdin on kytketty sähköiseen kuormaan, virta kulkee sen läpi, ja siksi liikkeen mekaaninen energia muunnetaan sähköenergiaksi. Esimerkiksi levygeneraattori on rakennettu samalla periaatteella kuin kuvassa. 4. Toinen tämän idean toteutus on Faradayn levy , joka on esitetty yksinkertaistetussa muodossa kuvassa 1. 8. Huomaa, että kuvion 1 analyysissä Kuva 5 ja Lorentzin voimalain suora soveltaminen osoittavat, että kiinteä johtava levy toimii samalla tavalla.
Faradayn levyesimerkissä kiekko pyörii tasaisessa magneettikentässä kohtisuorassa levyyn nähden, mikä johtaa virran säteittäiseen varteen Lorentzin voiman vuoksi. On mielenkiintoista ymmärtää, kuinka käy ilmi, että tämän virran hallitsemiseksi tarvitaan mekaanista työtä. Kun generoitu virta kulkee johtavan reunan läpi , tämä virta muodostaa Ampèren lain mukaan magneettikentän (kuvassa 8 se on merkitty "indusoitu B" - Indusoitu B). Näin vanteesta tulee sähkömagneetti , joka vastustaa levyn pyörimistä (esimerkki Lenzin säännöstä ). Kuvan kauimmaisessa osassa käänteisvirta kulkee pyörivästä varresta vanteen etäpuolen läpi pohjaharjalle. Tämän käänteisvirran luoma kenttä B on vastakkainen kohdistetun kentän kanssa, mikä aiheuttaa virtauksen pienenemisen piirin etäpuolen läpi, toisin kuin pyörimisen aiheuttama virtauksen kasvu . Kuvan lähipuolella käänteisvirta virtaa pyörivästä varresta vanteen lähisivun läpi pohjaharjalle. Indusoitu kenttä B lisää virtausta tällä puolella piiriä, toisin kuin pyörimisen aiheuttama virtauksen väheneminen . Siten piirin molemmat puolet muodostavat emf:n, joka vastustaa pyörimistä. Energia, joka tarvitaan pitämään levy liikkeessä tätä reaktiivista voimaa vastaan, on täsmälleen yhtä suuri kuin tuotettu sähköenergia (plus energia, joka kompensoi kitkasta, Joulen lämmöntuotannosta jne. johtuvat häviöt). Tämä käyttäytyminen on yhteistä kaikille generaattoreille, jotka muuttavat mekaanista energiaa sähköenergiaksi.
Vaikka Faradayn laki kuvaa minkä tahansa sähkögeneraattorin toiminnan, yksityiskohtainen mekanismi voi vaihdella tapauskohtaisesti. Kun magneetti pyörii kiinteän johtimen ympärillä, muuttuva magneettikenttä luo sähkökentän, kuten Maxwell-Faraday yhtälössä on kuvattu, ja tämä sähkökenttä työntää varauksia johtimen läpi. Tätä tapausta kutsutaan indusoiduksi emf:ksi. Toisaalta, kun magneetti on paikallaan ja johdin pyörii, liikkuviin varauksiin vaikuttaa magneettinen voima (kuten Lorentzin laissa kuvataan), ja tämä magneettinen voima työntää varaukset johtimen läpi. Tätä tapausta kutsutaan motor emf. [yksitoista]
Sähkögeneraattori voi toimia "taaksepäin" ja muuttua moottoriksi. Harkitse esimerkiksi Faradayn levyä. Oletetaan, että johtavan säteittäisen varren läpi kulkee tasavirta jostain jännitteestä. Sitten Lorentzin voiman lain mukaan tähän liikkuvaan varaukseen vaikuttaa magneettikentässä B oleva voima , joka pyörittää kiekkoa vasemman käden säännön määräämään suuntaan. Ilman dissipatiivisia häviöitä aiheuttavia vaikutuksia, kuten kitkaa tai joulen lämpöä , levy pyörii sellaisella nopeudella, että d Φ B /dt on yhtä suuri kuin virran aiheuttava jännite.
Faradayn lain ennustama EMF on myös syy sähkömuuntajien toimintaan. Kun sähkövirta lankasilmukassa muuttuu, muuttuva virta muodostaa vaihtuvan magneettikentän. Sen käytettävissä olevan magneettikentän toinen lanka kokee nämä muutokset magneettikentässä muutoksina siihen liittyvässä magneettivuossa d Φ B / dt . Toisessa silmukassa esiintyvää sähkömotorista voimaa kutsutaan indusoiduksi emf:ksi tai muuntaja emf :ksi . Jos tämän silmukan kaksi päätä on kytketty sähköisen kuorman kautta, virta kulkee sen läpi.
Faradayn lakia käytetään mittaamaan sähköä johtavien nesteiden ja lietteiden virtausta. Tällaisia laitteita kutsutaan magneettisiksi virtausmittareiksi. Nopeudella v liikkuvan johtavan nesteen magneettikentässä B synnyttämä indusoitu jännite ℇ saadaan seuraavasti:
missä ℓ on magneettisen virtausmittarin elektrodien välinen etäisyys.
Kaikissa metalliesineissä, jotka liikkuvat suhteessa staattiseen magneettikenttään, esiintyy induktiivisia virtoja , kuten missä tahansa kiinteässä metalliesineessä suhteessa liikkuvaan magneettikenttään. Nämä energiavirrat muuntajien ytimissä eivät ole toivottavia, koska niiden vuoksi metallikerroksessa kulkee sähkövirtaa, joka lämmittää metallia.
Lenzin säännön mukaan pyörrevirrat virtaavat johtimen sisällä sellaisia reittejä ja suuntia pitkin, että niiden vaikutus on mahdollisimman voimakas niitä aiheuttavaa syytä vastaan. Tämän seurauksena hyviin johtimiin magneettikentässä liikkuessa vaikuttaa jarrutusvoima, joka aiheutuu pyörrevirtojen vuorovaikutuksesta magneettikentän kanssa. Tätä vaikutusta käytetään useissa laitteissa niiden liikkuvien osien tärinän vaimentamiseen.
Näiden ei-toivottujen induktiivisten vaikutusten torjumiseen käytetään useita menetelmiä.
Pyörrevirtoja syntyy, kun kiinteä metallimassa pyörii magneettikentässä, koska metallin ulompi osa ylittää enemmän voimalinjoja kuin sisäosa, joten indusoitunut sähkömoottorivoima on epätasainen ja pyrkii luomaan virtoja pisteiden väliin, joilla on korkein. ja pienimmät mahdollisuudet. Pyörrevirrat kuluttavat huomattavan määrän energiaa ja johtavat usein haitallisiin lämpötilan nousuihin. [22]
Tässä esimerkissä on yhteensä viisi laminaattia tai levyä, jotka osoittavat pyörrevirran jakautumisen. Käytännössä levyjen tai rei'itysten lukumäärä on 40-66 tuumaa kohti, mikä johtaa pyörrevirtahäviöiden vähenemiseen noin yhteen prosenttiin. Vaikka levyt voidaan erottaa toisistaan eristämällä, koska syntyneet jännitteet ovat erittäin pieniä, levyjen luonnollinen ruoste- tai oksidipinnoite riittää estämään virran kulkemisen levyjen läpi. [22]
Tämä on CD-soittimissa käytettävä roottori tasavirtamoottorista, jonka halkaisija on noin 20 mm. Huomaa, että loisten induktiivisten häviöiden vähentämiseksi sähkömagneettinapa jaettiin osiin.
Tässä kuvassa pyörivän ankkurin kelan kiinteä kuparitanko yksinkertaisesti kulkee magneetin N-navan kärjen alta. Huomaa kenttäviivojen epätasainen jakautuminen sauvan poikki. Magneettikenttä on erittäin keskittynyt ja siksi vahvempi kuparitangon vasemmassa reunassa (a, b), kun taas heikompi oikeassa reunassa (c, d). Koska tangon molemmat päät liikkuvat samalla nopeudella, tämä kentänvoimakkuuden ero sauvan yli aiheuttaa virtapyörteitä kuparitangon sisään. [23]
Tämä on yksi syy siihen, miksi suurjännitelaitteet ovat yleensä tehokkaampia kuin pienjännitelaitteet. Suurjännitelaitteissa on monia pieniä johtojen kierroksia moottoreissa, generaattoreissa ja muuntajissa. Nämä monet pienet langan kierrokset sähkömagneetissa rikkovat pyörrevirrat ja suurempia pyörrevirtoja muodostuu suurten, paksujen pienjännitekelojen sisään.
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
---|