Кіріспе

Электромагниттік немесе магниттік индукция – өзгеретін магнит өрісінде электр өткізгіште электромоторлық күштің (ЭМҚ) туындауы. 1831 жылы Майкл Фарадей индукцияны ашқандығы үшін, ал Джеймс Клерк Максвелл оны математикалық тұрғыдан Фарадейдің индукция заңы ретінде сипаттады. Ленц заңы индукцияланған өрістің бағытын анықтайды. Фарадей заңы кейіннен электромагнетизм теориясындағы төрт Максвелл теңдеуінің бірі – Максвелл-Фарадей теңдеуіне жалпыланды. Электромагниттік индукцияның көптеген қолданыс аймақтары бар, оның ішінде индукторлар мен трансформаторлар сияқты электр компоненттері, сондай-ақ электр моторлары мен генераторлар сияқты құрылғылар.

Тарих

Электромагниттік индукцияны Майкл Фарадей 1831 жылы жариялаған. Оны 1832 жылы Джозеф Генри тәуелсіз түрде ашқан. Фарадейдің алғашқы тәжірибелік демонстрациясында (1831 жылдың 29 тамызында) ол екі сымды темір сақинаның немесе "тордың" қарама-қарсы жақтарына орады (қазіргі заманғы тор тәрізді трансформаторға ұқсас). Электромагниттер туралы түсінігіне сүйене отырып, ол бір сымға ток ағып бастағанда, сақина арқылы бір түрлі толқын өтеді деп күтті, бұл қарама-қарсы жақта қандай да бір электр әсерін тудырады. Ол бір сымды гальванометрге қосып, екінші сымды аккумуляторға қосып бақылады. Сымды аккумуляторға қосып, ажыратқанда, ол уақытша ток – өзі "электр толқыны" деп атаған құбылысты байқады. Бұл индукция аккумулятор қосылып, ажыратылған кезде болған магниттік ағымның өзгеруіне байланысты болды. Фарадей электромагниттік индукцияны "күш сызықтары" деп аталатын ұғым арқылы түсіндірді. Алайда, сол кездегі ғалымдар оның теориялық идеяларын, бастысы математикалық тұрғыда қалыптастырылмағандықтан, кеңінен қабылдамады. Бірақ Джеймс Клерк Максвелл оның идеяларын өзінің сандық электромагниттік теориясының негізі ретінде пайдаланды. Максвеллдің моделінде электромагниттік индукцияның уақытқа қатысты өзгеруі дифференциалдық теңдеу түрінде берілген, оны Оливер Хевисайд Фарадей заңы деп атады, бірақ ол Фарадейдің бастапқы тұжырымынан сәл өзгеше және қозғалыс ЭҚК-ін сипаттамайды. Хевисайдтың нұсқасы (төмендегі Максвелл-Фарадей теңдеуін қараңыз) – Максвелл теңдеулері деп аталатын теңдеулер жинағында мойындалған форма. 1834 жылы Генрих Ленц өзінің есімімен аталатын заңды "тізбек арқылы ағын" сипаттау үшін қалыптастырды. Ленц заңы электромагниттік индукция нәтижесінде туындаған индукцияланған ЭҚК және ток бағытын көрсетеді.

Фарадей заңы мен салыстырмалылық теориясы

Фарадей заңы екі түрлі құбылысты сипаттайды: қозғалатын сымға магниттік күш әсер етуден туындайтын қозғалыс ЭҚК (Лоренц күшіне қараңыз), және өзгеріп жатқан магнит өрісінен туындайтын электр күшінен пайда болатын трансформатор ЭҚК (Максвелл-Фарадей теңдеуінің дифференциалдық түріне байланысты). Джеймс Клерк Максвелл 1861 жылы осы екі жеке физикалық құбылысқа назар аударды. Физикада екі мүлдем әртүрлі құбылысты түсіндіру үшін осындай фундаменталды заң қолданылған бірегей мысал деп саналады. Альберт Эйнштейн екі жағдайдың да өткізгіш пен магниттің салыстырмалы қозғалысына сәйкес келетінін және нәтижеге олардың қайсысының қозғалып жатқанының ешқандай әсері жоқ екенін байқады. Бұл оның арнайы салыстырмалылық теориясын жасауға алып келген басты жолдардың бірі болды.

Электр генераторы

Фарадейдің индукция заңына сәйкес, схема мен магнит өрісінің салыстырмалы қозғалысынан туындайтын электр қозғалтқыш күші – электр генераторларының негізгі құбылысы болып табылады. Тұрақты магнит өткізгішке қатысты қозғалғанда немесе керісінше, электр қозғалтқыш күші пайда болады. Егер сым электрлік жүктемеге қосылса, ток ағып, электр энергиясы өндіріледі, механикалық қозғалыс энергиясы электр энергиясына айналады. Мысалы, барабан генераторы оң жақтағы төменгі суретте көрсетілген. Бұл идеяның басқа бір түрі – оң жақта қарапайым түрде көрсетілген Фарадей дискісі. Фарадей дискісінің мысалында, диск дискке перпендикуляр біртекті магнит өрісінде айналады, Лоренц күшінің әсерінен радиалды қолда ток ағып өтеді. Бұл токты жүзеге асыру үшін механикалық жұмыс қажет. Өндірілген ток өткізгіш жиек арқылы өтетін кезде, Ампердің айналмалы заңы бойынша осы токтан магнит өрісі пайда болады (суретте «индуцирленген В» деп белгіленген). Осылайша жиек дискінің айналуына қарсы тұратын электромагнитке айналады (Ленц заңының мысалы). Суреттің артқы жағында кері ток айналатын қолдан жиектің артқы жағы арқылы төменгі щеткаға ағады. Бұл кері токтан туындаған B өрісі, қолданылатын B өрісіне қарсы келеді, контурдың сол жағынан өтетін ағынды азайтуға тырысып, айналудан туындаған ағынның артуына қарсы тұрады. Суреттің алдыңғы жағында кері ток айналатын қолдан жиектің алдыңғы жағы арқылы төменгі щеткаға ағады. Индуцирленген B өрісі контурдың осы жағында ағынды арттырады, айналудың r салдарынан болатын ағынның төмендеуіне қарсы тұрады. Дискінің қозғалысын жалғастыруға қажетті энергия, осы қарсы күшке қарамастан, өндірілген электр энергиясына тең (қосымша энергия сүрткіш күштерге, Джоульдік қыздыруға және басқа да тиімсіздіктерге жұмсалады). Бұл қасиет барлық генераторларға тән, олар механикалық энергияны электр энергиясына айналдырады.

Электрлік трансформатор

Сымның контурындағы электр тогы өзгергенде, өзгеретін ток өзгеретін магнит өрісін тудырады. Бұл магнит өрісінің әсер ету аймағындағы екінші сым, магнит өрісінің өзгеруін өзімен байланысқан магнит ағынының өзгеруі ретінде сезінеді. Сондықтан, екінші контурда индукциялық ЭҚК немесе трансформаторлық ЭҚК деп аталатын электр қозғалтқыш күші пайда болады. Егер осы контурдың екі ұшы электрлік жүктемеге қосылса, ток өтеді.

Ағымдағы тұтқа

Ток тұтқасы – екі бөлікке бөлінетін өзегі бар трансформатордың бір түрі. Оны ажыратып, сымға немесе орамға қысып, оның тогын өлшеуге немесе керісінше, кернеуді тудыруға болады. Дәстүрлі аспаптардан өзгеше, тұтқа сыммен электрлік байланыс жасамайды және оны бекіту кезінде сымды ажыратуды қажет етпейді.

Магниттік ағын өлшегіш

Фарадей заңы электр өткізгіш сұйықтықтар мен суспензиялардың ағынын өлшеу үшін қолданылады. Мұндай құралдар магниттік ағын өлшегіштер деп аталады. Магниттік өріс B-де v жылдамдығымен қозғалатын өткізгіш сұйықтықта туындайтын ε индукциялық кернеуі мына формуламен беріледі:

мұндағы ℓ – магниттік ағын өлшегіштегі электродтар арасындағы қашықтық.

Эдди тоқтары

Тұрақты магнит өрісі арқылы қозғалатын электр өткізгіштерде немесе өзгеріп тұратын магнит өрісіндегі стационарлық өткізгіштерде индукция арқылы олардың ішінде дөңгелек токтар туындайды, олар бұрандалы токтар деп аталады. Бұрандалы токтар магнит өрісіне перпендикуляр жазықтықтағы жабық контурлерде ағып өтеді. Олардың үйкелді тежегіштерде және индукциялық қыздыру жүйелерінде пайдалы қолданыстары бар. Дегенмен, трансформаторлардың, айнымалы ток моторларының және генераторларының магниттік өзектерінде туындайтын бұрандалы токтар күңкес, себебі олар энергияны (өзектегі жоғалтулар деп аталады) металлдың кедергісінде жылу түрінде ысыраптап жібереді. Осы құрылғылардың өзектерін жасауда бұрандалы токтарды азайту үшін бірнеше әдістер қолданылады: төмен жиілікті айнымалы ток электромагниттері мен трансформаторларының өзектері, қатты металлдан жасалмай, көбінесе ламинаттар деп аталатын металл тілімдерінен жасалады, олар тоқ өткізбейтін қаптамалармен бөлінеді. Бұл жұқа тілімдер паразиттік бұрандалы токтарды азайтады, төменде сипатталғандай. Жоғары жиілікте қолданылатын индукторлар мен трансформаторларда магниттік өзектер көбінесе феррит немесе темір ұнтағы сияқты тоқ өткізбейтін магниттік материалдардан жасалады, олар байланыстырушы шайырмен біріктіріледі.

Электромагниттік ламинация

Эдди токтары қатты металл массасы магнит өрісінде айналғанда пайда болады, себебі металдың сыртқы бөлігі ішкі бөлігіне қарағанда көбірек магниттік күш сызықтарын кесіп өтеді; сондықтан индукцияланған электр қозғалтқыш күші біркелкі болмайды; бұл ең жоғары және ең төмен әлеует нүктелері арасында электр тогының пайда болуына әкеледі. Эдди токтары көп мөлшерде энергия жұмсайды және көбінесе температураның зиянды көтерілуіне себеп болады. Бұл мысалда Эдди токтерінің бөлінуін көрсету үшін тек бес ламинат немесе пластина көрсетілген. Іс жүзінде ламинаттардың немесе перфорациялардың саны дюймге 40-тан 66-ға дейін (сантиметрге 16-дан 26-ға дейін) жетеді, бұл Эдди токтарының жоғалтуын шамамен бір пайызға дейін азайтады. Пластиналарды оқшаулағышпен бөлуге болады, бірақ кернеу соншалықты төмен, пластиналардың табиғи тотық/оксид қабығы ламинаттар арқылы ток өтуін болдырмау үшін жеткілікті. Бұл CD плеерде қолданылатын DC электрмоторының шамамен 20 мм диаметрлі роторы. Паразиттік индуктивтік жоғалтуларды шектеу үшін қолданылатын электромагниттік полюс бөліктерінің ламинаттарына назар аударыңыз.

Ілеспелердің ішіндегі паразиттік индукция

Бұл суретте айналмалы арматурадағы қатты мыс өткізгіш, өріс магнитінің N полюсінің ұшының астынан өтіп жатыр. Мыс табанша бойынша күш сызықтарының теңсіз таралуына назар аударыңыз. Магниттік өріс мыс табаншаның сол жақ жиегінде (a,b) көбірек шоғырланған, демек күштірек, ал оң жақ жиегінде (c,d) әлсіз. Табаншаның екі жиегі де бірдей жылдамдықпен қозғалғандықтан, табаншадағы өріс күшінің осы айырмашылығы мыс табаншаның ішінде айналмалы токтарды немесе омыртқыштарды тудырады. Электр моторлары, генераторлар және трансформаторлар сияқты жоғары ток жиілігімен жұмыс істейтін құрылғылар, ірі қатты өткізгіштерде пайда болатын айналмалы ағындарды жою үшін бірнеше кішкентай өткізгіштерді параллель қосып қолданады. Осы принцип қуат жиілігінен жоғары жиілікте жұмыс істейтін трансформаторларға да қолданылады, мысалы, импульстік қуат көздерінде және радио қабылдағыштардың аралық жиілік трансформаторларында.