Elektromagnetismus Grundlagen für Maschinenbauer

Elektromagnetismus-die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus — ist das zugrunde liegende Prinzip für den Betrieb von Elektromotoren sowie Generatoren und Transformatoren. Und obwohl die meisten von uns keine Motoren (oder Generatoren oder Transformatoren) von Grund auf neu entwerfen, ist es hilfreich, ein grundlegendes Verständnis der Konzepte und Gesetze zu haben, die ihren Betrieb antreiben.,

Die Grundlage des Elektromagnetismus ist in Maxwells Gleichungen gelegt — ein Satz von vier Gleichungen, die von James Clerk Maxwell in den frühen 1860er Jahren entwickelt wurden. In diesem Artikel werden wir uns Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion ansehen, das die Grundlage für eine von Maxwells Gleichungen bildet. Wir werden uns auch Lenz ‚ Gesetz ansehen, das Faradays Gesetz in Schach hält.,

Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion

Michael Faraday entdeckte in den 1830er Jahren die Beziehung zwischen Magnetfeldern und Elektrizität (Elektromagnetismus), und obwohl Faraday viele Beiträge zur Erforschung von Elektrizität und Magnetismus leistete, ist eines der wichtigsten Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das besagt:

Jede Änderung des magnetischen Feldes die Umgebung einer Drahtspule (eines Leiters) führt dazu, dass eine Spannung (emf) in der Spule induziert wird. Und wenn die Spule (Leiterkreis) geschlossen ist, fließt Strom.,

Die Ursache der Änderung der magnetischen Umgebung spielt keine Rolle — sie kann durch Ändern der Magnetfeldstärke, durch Bewegen des Magneten in Richtung und weg von der Spule, durch Bewegen der Spule in das Magnetfeld und aus dem Magnetfeld oder durch Drehen der Spule relativ zum Magnetfeld verursacht werden. Solange es eine relative Bewegung zwischen dem Magnetfeld und der Spule gibt, wird eine Spannung induziert.,

Der mathematische Ausdruck für Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion zeigt, dass die induzierte Spannung gleich der Anzahl der Windungen in der Spule ist, multipliziert mit der zeitbasierten Änderung des magnetischen Flusses.,

ε = induzierte emf (V)

N = Anzahl der Windungen der Spule

Φ = magnetischer Fluss (Wb, V·s)

t = Zeit (s)

Beachten Sie, dass der magnetische Fluss (Φ) das Produkt des Magnetfeldes (B) und der Fläche der Spule (A) ist: φ = BA

Lenz-Gesetz

Das negative Vorzeichen ( “ – “ ) auf der rechten Seite der obigen Gleichung stammt aus dem Lenz-Gesetz und zeigt an, dass die induzierte emf in einer Richtung auftritt, die dem magnetischen Fluss entgegengesetzt ist.,

Das Lenz-Gesetz stellt sicher, dass das Faraday-Gesetz dem Prinzip entspricht, dass Energie konserviert werden muss, und besagt, dass:

Wenn emf (Spannung) durch eine Änderung des Magnetflusses erzeugt wird, erzeugt die Polarität des induzierten emf einen Strom, dessen Magnetfeld in eine Richtung fließt, die der Änderung entgegengesetzt ist, die es erzeugt (das ursprüngliche Magnetfeld)..

Mit anderen Worten, das induzierte Magnetfeld hält den magnetischen Fluss immer konstant., Wenn der magnetische Fluss abnimmt, würde das durch den induzierten Strom erzeugte Magnetfeld dazu beitragen. Und wenn der magnetische Fluss zunimmt, würde das durch den induzierten Strom erzeugte Magnetfeld davon abziehen. In beiden Fällen bleibt der gesamte magnetische Fluss konstant.

Ebenso wird sich die induzierte emf der Änderung widersetzen, die sie erzeugt hat. Mit anderen Worten, die induzierte emf (Spannung) befindet sich in einer Richtung, die der Spannung entgegengesetzt ist, die sie erzeugt hat. In einem Motor bedeutet dies, dass die induzierte emf (allgemein als Back emf bezeichnet) der Versorgungsspannung entgegengesetzt ist.,

Versorgung = 195 V

Zurück emf = -45 V

Net spannung in schaltung (V = IR) = 10 * 15 = 150 V

195 V + -45 V = 150 V

Zurück emf ist direkt im zusammenhang mit motor geschwindigkeit: wenn motor geschwindigkeit erhöht, so tut zurück emf, und umgekehrt. Aus diesem Grund haben beispielsweise die Drehmoment-und Drehzahleigenschaften eines Gleichstrommotors eine inverse, lineare Beziehung.

Wenn die Last (Drehmoment) des Motors erhöht wird, verlangsamt sich der Motor., Je langsamer sich der Motor dreht, desto niedriger ist die hintere Emf (gegenüber der Versorgungsspannung) und desto weniger Spannung verwendet der Motor, um diese hintere Emf zu überwinden. Daher erhöhen sich die Spannung und der Strom über den Motor. Dieser zusätzliche Strom ermöglicht es dem Motor, das zusätzliche Drehmoment zu erzeugen, das er benötigt, um seine Geschwindigkeit mit der erhöhten Last wiederzugewinnen.

Schaltplan und am Beispiel von New South Wales Department of Education and Training, 2007.