Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion ist ein Phänomen, das im Auftreten einer elektromotorischen Kraft oder Spannung in einem Körper besteht, der sich in einem sich ständig ändernden Magnetfeld befindet. Eine elektromotorische Kraft infolge elektromagnetischer Induktion entsteht auch, wenn sich ein Körper in einem statischen und ungleichförmigen Magnetfeld bewegt oder in einem Magnetfeld rotiert, so dass sich seine Linien, die eine geschlossene Schleife schneiden, ändern.
Induzierter elektrischer Strom
Unter dem Begriff "Induktion" versteht man die Entstehung eines Prozesses als Folge der Einwirkung eines anderen Prozesses. Beispielsweise kann ein elektrischer Strom induziert werden, also dadurch entstehen, dass ein Leiter in besonderer Weise einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Einen solchen elektrischen Strom nennt man induziert. Die Bedingungen für die Bildung eines elektrischen Stroms infolge des Phänomens der elektromagnetischen Induktion werden später in diesem Artikel diskutiert.
Das Konzept eines Magnetfeldes
VorherUm mit dem Studium des Phänomens der elektromagnetischen Induktion zu beginnen, ist es notwendig zu verstehen, was ein Magnetfeld ist. Ein Magnetfeld ist vereinfacht gesagt ein Raumbereich, in dem ein magnetisches Material seine magnetischen Wirkungen und Eigenschaften entf altet. Dieser Bereich des Raums kann durch Linien dargestellt werden, die Magnetfeldlinien genannt werden. Die Anzahl dieser Linien stellt eine physikalische Größe dar, die als magnetischer Fluss bezeichnet wird. Die magnetischen Feldlinien sind geschlossen, sie beginnen am Nordpol des Magneten und enden am Südpol.
Das Magnetfeld hat die Fähigkeit, auf alle Materialien mit magnetischen Eigenschaften einzuwirken, wie z. B. Eisenleiter für elektrischen Strom. Dieses Feld ist durch magnetische Induktion gekennzeichnet, die mit B bezeichnet und in Tesla (T) gemessen wird. Eine magnetische Induktion von 1 T ist ein sehr starkes Magnetfeld, das mit einer Kraft von 1 Newton auf eine Punktladung von 1 Coulomb wirkt, die senkrecht zu den magnetischen Feldlinien mit einer Geschwindigkeit von 1 m / s, also 1 T, fliegt=1 Ns / (mCl).
Wer hat das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckt?
Die elektromagnetische Induktion, auf deren Prinzip viele moderne Geräte basieren, wurde in den frühen 30er Jahren des 19. Jahrhunderts entdeckt. Die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion wird normalerweise Michael Faraday zugeschrieben (Entdeckungsdatum - 29. August 1831). Der Wissenschaftler basierte auf den Ergebnissen der Experimente des dänischen Physikers und Chemikers Hans Oersted, der entdeckte, dass ein Leiter entsteht, durch den ein elektrischer Strom fließtein Magnetfeld um sich herum, d. h. es beginnt magnetische Eigenschaften zu zeigen.
Faraday wiederum entdeckte das Gegenteil des von Oersted entdeckten Phänomens. Er bemerkte, dass ein sich änderndes Magnetfeld, das durch Ändern der Parameter des elektrischen Stroms im Leiter erzeugt werden kann, zum Auftreten einer Potentialdifferenz an den Enden eines beliebigen Stromleiters führt. Wenn diese Enden beispielsweise durch eine elektrische Lampe verbunden sind, fließt ein elektrischer Strom durch einen solchen Stromkreis.
Infolgedessen entdeckte Faraday einen physikalischen Prozess, bei dem aufgrund einer Änderung des Magnetfelds ein elektrischer Strom in einem Leiter auftritt, was das Phänomen der elektromagnetischen Induktion ist. Gleichzeitig spielt es für die Bildung eines Induktionsstroms keine Rolle, was sich bewegt: das Magnetfeld oder der Leiter selbst. Dies lässt sich leicht zeigen, indem man ein entsprechendes Experiment zum Phänomen der elektromagnetischen Induktion durchführt. Nachdem wir also den Magneten in die Metallspirale gelegt haben, beginnen wir, ihn zu bewegen. Wenn Sie die Enden der Spirale durch einen Indikator für elektrischen Strom mit einem Stromkreis verbinden, können Sie das Auftreten von Strom sehen. Jetzt sollten Sie den Magneten in Ruhe lassen und die Spirale relativ zum Magneten auf und ab bewegen. Die Anzeige zeigt auch das Vorhandensein von Strom im Stromkreis an.
Faraday-Experiment
Faradays Experimente bestanden darin, mit einem Leiter und einem Dauermagneten zu arbeiten. Michael Faraday entdeckte erstmals, dass, wenn sich ein Leiter in einem Magnetfeld bewegt, an seinen Enden eine Potentialdifferenz entsteht. Der sich bewegende Leiter beginnt, die magnetischen Feldlinien zu kreuzen, was simuliertdie Auswirkung der Änderung dieses Feldes.
Der Wissenschaftler entdeckte, dass die positiven und negativen Vorzeichen der resultierenden Potentialdifferenz von der Richtung abhängen, in die sich der Leiter bewegt. Wenn beispielsweise der Leiter in einem Magnetfeld angehoben wird, hat die resultierende Potentialdifferenz eine +-Polarität, aber wenn dieser Leiter abgesenkt wird, erh alten wir bereits eine -+-Polarität. Diese Vorzeichenänderungen der Potentiale, deren Differenz als elektromotorische Kraft (EMK) bezeichnet wird, führen dazu, dass in einem geschlossenen Stromkreis ein Wechselstrom auftritt, dh ein Strom, der ständig seine Richtung in die entgegengesetzte Richtung ändert.
von Faraday entdeckte Merkmale der elektromagnetischen Induktion
Da wir wissen, wer das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckt hat und warum es einen induzierten Strom gibt, werden wir einige der Merkmale dieses Phänomens erklären. Je schneller Sie also den Leiter in einem Magnetfeld bewegen, desto größer ist der Wert des induzierten Stroms im Stromkreis. Ein weiteres Merkmal des Phänomens ist folgendes: Je größer die magnetische Induktion des Feldes ist, dh je stärker dieses Feld ist, desto größer ist die Potentialdifferenz, die es beim Bewegen des Leiters im Feld erzeugen kann. Wenn der Leiter in einem Magnetfeld ruht, entsteht darin keine EMF, da sich die magnetischen Induktionslinien, die den Leiter kreuzen, nicht ändern.
Stromrichtung und Regel der linken Hand
Um die Richtung im Leiter des elektrischen Stroms zu bestimmen, der durch das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entsteht, können SieVerwenden Sie die sogenannte Linke-Hand-Regel. Es kann wie folgt formuliert werden: Wenn die linke Hand so platziert wird, dass die magnetischen Induktionslinien, die am Nordpol des Magneten beginnen, in die Handfläche eintreten, und der hervorstehende Daumen in die Bewegungsrichtung des Leiters hinein gerichtet ist das Feld des Magneten, dann zeigen die verbleibenden vier Finger der linken Hand die Bewegungsrichtung des induzierten Stroms im Leiter an.
Es gibt eine andere Version dieser Regel, sie lautet wie folgt: Wenn der Zeigefinger der linken Hand entlang der magnetischen Induktionslinien gerichtet ist und der hervorstehende Daumen in Richtung des Leiters gerichtet ist, dann die Mittelfinger um 90 Grad zur Handfläche gedreht zeigt die Richtung des erscheinenden Stroms im Leiter an.
Das Phänomen der Selbstinduktion
Hans Christian Oersted entdeckte die Existenz eines Magnetfeldes um einen Leiter oder eine Spule mit Strom. Der Wissenschaftler fand auch heraus, dass die Eigenschaften dieses Feldes in direktem Zusammenhang mit der Stärke des Stroms und seiner Richtung stehen. Wenn der Strom in der Spule oder dem Leiter variabel ist, wird ein Magnetfeld erzeugt, das nicht stationär ist, dh es ändert sich. Dieses Wechselfeld führt wiederum zum Auftreten eines induzierten Stroms (das Phänomen der elektromagnetischen Induktion). Die Bewegung des Induktionsstroms ist immer entgegengesetzt zu dem durch den Leiter fließenden Wechselstrom, das heißt, er widersteht jeder Richtungsänderung des Stroms im Leiter oder in der Spule. Dieser Vorgang wird als Selbstinduktion bezeichnet. Die resultierende elektrische DifferenzPotenziale wird die EMF der Selbstinduktion genannt.
Beachten Sie, dass das Phänomen der Selbstinduktion nicht nur auftritt, wenn sich die Richtung des Stroms ändert, sondern auch, wenn er sich beispielsweise ändert, wenn er aufgrund einer Abnahme des Widerstands im Stromkreis ansteigt.
Zur physikalischen Beschreibung des Widerstandes, den eine Stromänderung in einem Stromkreis durch Selbstinduktion ausübt, wurde der Begriff der Induktivität eingeführt, der in Henry gemessen wird (zu Ehren des amerikanischen Physikers Joseph Henry). Ein Henry ist eine solche Induktivität, bei der, wenn sich der Strom in 1 Sekunde um 1 Ampere ändert, im Prozess der Selbstinduktion eine EMK von 1 Volt entsteht.
Wechselstrom
Wenn sich ein Induktor in einem Magnetfeld zu drehen beginnt, erzeugt er infolge des Phänomens der elektromagnetischen Induktion einen induzierten Strom. Dieser elektrische Strom ist variabel, das heißt, er ändert systematisch die Richtung.
Wechselstrom ist häufiger als Gleichstrom. Daher verwenden viele Geräte, die über das zentrale Stromnetz betrieben werden, diese Art von Strom. Wechselstrom ist einfacher zu induzieren und zu transportieren als Gleichstrom. In der Regel beträgt die Frequenz des Haush altswechselstroms 50-60 Hz, dh in 1 Sekunde ändert sich seine Richtung 50-60 Mal.
Die geometrische Darstellung des Wechselstroms ist eine Sinuskurve, die die Abhängigkeit der Spannung von der Zeit beschreibt. Die volle Periode der Sinuskurve für Haush altsstrom beträgt ungefähr 20 Millisekunden. Entsprechend der thermischen Wirkung ist Wechselstrom dem Strom ähnlichDC, dessen Spannung Umax/√2 ist, wobei Umax die maximale Spannung auf der AC-Sinuskurve ist.
Der Einsatz elektromagnetischer Induktion in der Technik
Die Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion führte zu einem wahren Boom in der Entwicklung der Technologie. Vor dieser Entdeckung konnten Menschen mit elektrischen Batterien nur in begrenztem Umfang Strom erzeugen.
Aktuell wird dieses physikalische Phänomen in elektrischen Transformatoren, in Heizgeräten, die induzierten Strom in Wärme umwandeln, sowie in Elektromotoren und Autogeneratoren genutzt.
