elektromagnetyzm — związek między elektrycznością a magnetyzmem — jest podstawową zasadą działania silników elektrycznych, a także generatorów i transformatorów. I chociaż większość z nas nie projektuje silników (ani generatorów ani transformatorów) od podstaw, pomocne jest podstawowe zrozumienie pojęć i praw, które napędzają ich działanie.,
podstawą elektromagnetyzmu są równania Maxwella — zbiór czterech równań opracowanych przez Jamesa Clerka Maxwella we wczesnych latach 60. XX wieku. w tym artykule przyjrzymy się prawu indukcji elektromagnetycznej Faradaya, które stanowi podstawę jednego z równań Maxwella. Przyjrzymy się również prawu Lenza, które trzyma prawo Faradaya w ryzach.,
prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya
Michael Faraday odkrył związek między polem magnetycznym a elektrycznością (elektromagnetyzmem) w 1830 roku i chociaż Faraday wniósł wiele wkładu w badania elektryczności i magnetyzmu, jednym z najważniejszych jest prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya, które stwierdza:
jakakolwiek zmiana otoczenia magnetycznego cewki drutu (przewodnika) spowoduje indukowanie napięcia (emf) w cewce. A jeśli cewka (Obwód przewodnika) jest zamknięta, przepływ prądu.,
przyczyna zmiany otoczenia magnetycznego nie ma znaczenia — może być spowodowana zmianą natężenia pola magnetycznego, przesunięciem magnesu w kierunku i od cewki, przesunięciem cewki do i z pola magnetycznego lub obracaniem cewki względem pola magnetycznego. Tak długo, jak istnieje względny ruch między polem magnetycznym a cewką, napięcie będzie indukowane.,
Image credit: IGCSE Physics
matematyczne wyrażenie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya pokazuje, że Indukowane napięcie jest równe liczbie obrotów w cewce pomnożonej przez czasową zmianę strumienia magnetycznego.,
ε = indukowane emf (V)
n = liczba zwojów cewki
Φ = strumień magnetyczny (WB, v·s)
T = czas (S)
zauważ, że strumień magnetyczny (φ) jest iloczynem pola magnetycznego (B) i powierzchni cewki (a): φ = ba
prawo Lenza
znak ujemny („-„) po prawej stronie powyższego równania pochodzi z prawa Lenza i wskazuje, że indukowane EMF zachodzi w kierunku przeciwnym do strumienia magnetycznego.,
prawo Lenza zapewnia, że prawo Faradaya przestrzega zasady, że energia musi być zachowana, stwierdzając, że:
gdy emf (napięcie) jest generowane przez zmianę strumienia magnetycznego, polaryzacja indukowanego emf generuje prąd, którego pole magnetyczne jest w kierunku która sprzeciwia się zmianie, która je wytwarzała (pierwotne pole magnetyczne).
innymi słowy, indukowane pole magnetyczne zawsze działa, aby utrzymać stały strumień magnetyczny., Gdyby strumień magnetyczny zmniejszył się, pole magnetyczne wytworzone przez prąd indukowany zwiększyłoby się do niego. A gdyby strumień magnetyczny się zwiększył, pole magnetyczne wytworzone przez prąd indukowany odejdzie od niego. W obu przypadkach całkowity strumień magnetyczny pozostaje stały.
Image credit: C. R., Nave, Georgia State University
Innymi słowy, indukowane emf (napięcie) będzie w kierunku przeciwnym do napięcia, które go stworzyło. W silniku oznacza to, że indukowane emf (powszechnie określane jako emf back) sprzeciwia się napięciu zasilania.,
Zasilanie = 195 V
powrót emf = -45 v
napięcie sieciowe w obwodzie (V = IR) = 10 * 15 = 150 V
195 v + -45 V = 150 V
powrót EMF jest bezpośrednio związane z prędkością silnika: gdy prędkość silnika wzrasta, tak samo z powrotem EMF, i vice versa. Dlatego na przykład charakterystyka momentu obrotowego i Prędkości Silnika PRĄDU STAŁEGO ma odwrotną, liniową zależność.
wraz ze wzrostem obciążenia (momentu obrotowego) silnika silnik zwalnia., Im wolniej silnik obraca się, tym niższe tylne emf (przeciwstawienie się napięciu zasilania) i mniejsze napięcie silnik wykorzystuje tylko do przezwyciężenia tego tylnego emf. Dlatego wzrasta napięcie i prąd w silniku. Ten dodatkowy prąd pozwala silnikowi wytworzyć dodatkowy moment obrotowy, którego potrzebuje do odzyskania prędkości przy zwiększonym obciążeniu.
schemat obwodu i przykład zaczerpnięty z Nowej Południowej Walii, Departament Edukacji i Szkolenia, 2007.