Іv.4 Електромагнітна індукція та її види

Електромагнітною індукцією називають явище виникнення електрорушійної сили в провіднику при перетинанні його змінним магнітним силовим потоком. Іншими словами, у замкненому провіднику виникає струм, якщо він знаходиться у змінному магнітному полі. Це явище використовується для отримання електричної енергії в генераторах промислових електростанцій будь-якого типу (гідро-, теплових, атомних), у генераторах автомобілів, тракторів тощо.

У масивних провідниках (з великою площею поперечного перерізу, а значить з малим опором струмові) у змінному магнітному полі виникають циклічні електричні струми великої сили І, що приводить до сильного нагріву тіл. Ці струми називають струмами Фуко, які використовують, наприклад, в індукційних печах для плавлення металів.

Причиною явища електромагнітної індукції в провідниках у змінному магнітному полі є, як показав Максвелл, породження змінними магнітними полями змінних електричних полів. Силові лінії цього електричного поля, що називається вихровим, є замкненими на відміну від силових ліній електростатичного поля. Саме вихрьове електричне поле і обумовлює розділення різнойменних зарядів при перетинанні провідника, утворюючи в ньому змінну різницю потенціалів, рівну ЕРС індукції.

Вивчаючи описане явище, Фарадей встановив:

Електрорушійна сила індукції, яка виникає в провіднику у змінному магнітному полі, прямо пропорційна швидкості зміни потоку магнітної індукції, що перетинає поверхню, охоплену провідником:

Є _{і = .}(ІV.7)

Існує два види електромагнітної індукції: самоіндукція і взаємоіндукція.

Самоіндукцією називають виникнення ЕРС індукції в провіднику при будь-якій зміні напрямку і сили струму в ньому.

Змінний електричний струм, що проходить в провіднику, породжує навколо нього змінне магнітне поле, індукція В() якого, а значить і потік індукціїФ(), змінюються так, як і сила струмуІ. Тому із закону Фарадея можна отримати вираз для ЕРС самоіндукції Є_L:

Є, (ІV.8)

де - швидкість зміни сили струму, L – коефіцієнт самоіндукції провідника.

Для провідника, намотаного у вигляді котушки із осердям – електромагніти, котушки індуктивності тощо – величина Lвизначається за формулою:

L = μ₀ μ n²V,

де: n – кількість витків на одиниці довжини котушки, V – об’єм котушки.

Коефіцієнт самоіндукції L котушки чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції Є_L, що виникає в котушці при швидкості зміни сили струму, рівній 1 A/c.

Знак „ – ” у формулі для Є_Lозначає, що ЕРС самоіндукції, а значить і індукційний струм, перешкоджають зміні сили зовнішнього (основного) струму.

Явище самоіндукції використовується у закритих коливальних контурах (електричне коло, в якому кінці котушки під’єднані до обкладок конденсатора), які є важливою частиною електричних схем генераторів змінного струму, підсилювачів змінного струму, радіо і телеприймачів тощо. Але у багатьох випадках явище самоіндукції шкідливе внаслідок виникнення екстраструмів вмикання і вимикання струму в електричних ланцюгах, що мають значну індуктивність. Екстраструм вмикання сповільнює наростання струму в електричному контурі, а екстраструм вимикання, направлений як і основний струм, зумовлює збільшення сили струму, що призводить до виникнення іскри в місцях розмикання електричного кола (рубильники, ключі, вилки, що виймаються з розетки, тощо) і підгоряння контактів.

Взаємоіндукцією називають виникнення електрорушійної сили в одному контурі при зміні напрямку і сили струму в сусідньому контурі.

Це явище використовується в трансформаторах, які складаються із двох контурів – первинної і вторинної обмоток, намотаних на залізне осердя (рис. ІV.4). Кінці первинної обмотки під’єднуються до джерела змінного струму, внаслідок чого навколо неї виникає змінне магнітне поле. Тому у вторинній обмотці виникає ЕРС індукції, числове значення якої може бути більшим або меншим від величини ЕРС джерела струму, залежно від співвідношення кількості витків в обмотках. Якщо у вторинній обмотці кількість витківn₂більша ніжn₁у первинній обмотці, то трансформатор підвищувальний, у протилежному випадку – понижувальний.

Рис. ІV.4

Число К, рівне відношенню ЕРС Є₂ у вторинній обмотці до ЕРС Є₁ у первинній обмотці (відношенню кількості витків у вторинній обмотці n₂ до їх кількості n₁ у первинній обмотці), називають коефіцієнтом трансформації трансформатора.

(або ). (ІV.9)

Для підвищувальних трансформаторів К > 1, а для понижувальних К < 1.

Трансформатори використовуються у величезній кількості електротехнічних пристроїв. Наприклад, при передачі електроенергії на великі відстані для зменшення витрат у лініях електропередач на нагрів провідників, використовують підвищувальні трансформатори (К > 1). При цьому у високовольтних лініях передач напруга може сягати десятків і сотень тисяч вольт, а сила струму відносно мала. Більшість побутового і промислового обладнання розраховане на використання напруги 220 В та 380 В. Тому біля кожного великого промислового підприємства, населеного пункту стоять понижувальні трансформатори, що знижують напругу до відповідних значень, необхідних для живлення споживачів.