电磁感应

通常,通过具有均匀速度的电荷的运动产生静磁场,而静电场由固定电荷产生。另一方面,电磁场是时变电流产生的时变场。

根据电磁感应原理,这些磁场产生电动势。1831年,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)和美国科学家约瑟夫·亨利(Joseph Henry)同时独立地发现,线圈磁场的任何变化都会引起线圈内产生电动势或电压。

从磁场产生EMF的这种现象称为电磁感应。这一原理的两个熟悉的应用是发电机或交流发电机,该发电机是电力和变压器的源,其增加或减少交流电路的EMF。

电磁感应原理

什么是电磁诱导?

通过导体通过切割磁通线在导体中获得诱导的EMF的现象或方法称为电磁感应。电动势,EMF是不是力,因为名称说,但它是由力完成的每单位充电的工作。

它具有每次充电的能量的尺寸。该EMF可以以从法拉第的实验中获得的两种方式产生,即固定线圈,移动磁铁和固定磁铁,移动线圈。让我们简要了解这两个人。

固定线圈和移动磁铁

在这种方法中,一个N匝线圈保持不变,产生磁线的永磁体相对于线圈移动。考虑下图,其中一个有N圈的线圈连接到电流计,电流计给出了电路中电流的指示。

永磁体向内移动,使通过线圈的磁力线发生变化。因此,无论何时有一个永磁体的运动,振流计的统计偏转。当永磁体移动得更快时,电流计的偏转就会更多。

产生这种电流的原因是由于磁通线相对于静止线圈的运动而产生电动势。这个电动势驱动电流流过电路。

固定线圈和移动磁铁

固定磁铁和移动线圈

这是另一种获得电动势的形式,通过在由固定磁铁产生的磁场中移动线圈。下图显示了一个由线圈AB组成的装置,它通过一些外部手段移动,并连接到一个电流计来指示电流。

当AB导体向上或向下移动时,导体切割磁通线。因此,在导体中诱导EMF,电流开始流过电路,从而流频计开始偏转。

电流流动的方向由导体在磁场中的运动确定。如果导体快速移动,则更多将是电流。

固定磁铁和移动线圈

从上述两种方法,应注意,为了诱导EMF,必须存在相对于导体的磁通量线的变化。具有该感应EMF的必要元件是导体或线圈,磁场(电磁铁或永磁体)和磁通量和导体之间的相对运动。

法拉第电磁感应定律

如上所述,两位科学家发现了电磁感应即迈克尔法雷德和约瑟夫亨利。由于Michael Faraday首先发表了他的发现并更详细地调查了电磁归纳,所描述电磁归纳的法律以他命名。他说了两种电磁诱导定律。

法拉第的第一条法律

它指出,每当磁力线(磁通量)与一个封闭的电路变化或当导体切割或被磁通量切割时,一个电动势在电路中感应,导致感应电流流过电路。只要磁通量发生变化或导体与磁通量之间保持相对运动,就会产生这种电动势。

法拉第第二定律

它指出,电动势的幅度在一个电路或线圈是直接成比例的变化率的磁链连接。

考虑有N匝的线圈,初始通量连接为Φ1。因此,与线圈有关的初始磁链是N Φ1。在t期间,与线圈连接的磁通由Φ1变为Φ2。那么线圈的最终磁链是N Φ2。

因此,磁通量的变化率=(nφ2 - nφ1)/ t

根据法拉第的法律,由于助焊剂联系的变化,在线圈中产生了一个EMF,并且根据第二法,该EMF与通量联系的变化率成正比。IE。,

Eα(nφ2 - nφ1)/ t

e = (N Φ2 - N Φ1) /t

e = N dΦ /dt

其中dφ/ dt是通量的变化率

n是线圈的匝数

根据楞次定律,这种感应电动势产生的电流的方向与产生电流的原因相反。这种对立用数学上的负号表示为

e = - ndφ/ dt ..................(1)

感应电动势是一个标量,用伏特来测量。它可以写成电场的形式

E =∮ē。(DL̄)............(2)

上述方程是关于闭合路径的电压,如果路径的任何部分发生变化,则感应电动势将发生变化。

通过磁场通过指定区域的总磁通量为

φ=∮SB̄。(DS)̄

在哪里B是磁通量密度

那么方程2变成(假设N=1,即单圈线圈)

e = - d / dt(∮sb̄。(ds)̄)...............(3)

(DL)̅= - d / dt(∮sb̄。(ds)̄)............(4)

这被称为楞次定律的积分形式。

通过考虑等式4并应用中风的定理,我们得到了

∮s∇×Ē.(ds)̄)= - d /dt(∮sB̄.)(ds̄)

如果电路是静止的,时间导数可以在积分内移动,那么它就变成了偏导数

∮叔×Ē.(ds)̄)= -∮(s)(∂/∂t (BM.(ds)M))

然后等同于积分

叔× EM =∂/∂t BM

这被称为法拉第定律的微分形式。

伦敦法尔

本法以德国物理学家Heinrich Lenz命名,他派生了它。该法律规定了电磁诱导产生的诱导型电极的方向始终使其倾向于建立反对负责生产其的原因的电流。

这里,原因是负责生产EMF的助焊剂的变化。因此,诱导的EMF总是反对产生它的原因,并且它由EMF的数学表达的阴性符号表示。

E = - ndφ/ dt

考虑下图,其中线圈与电流计相连。让磁棒向线圈移动。磁体的运动在线圈中产生电动势,从而产生电流。根据楞次定律,如图所示,感应电流的方向与磁体的运动相反。

楞次定律

由于EMF引起的电流产生了其自身的磁场,其与导致产生EMF的主领域相反。因此,Lenz的状态是围绕闭环感应的状态是由其产生的磁场试图抵消导致产生EMF的磁通量的变化。

在下图中,由于诱导的EMF,闭环电流在顺时针方向上流动。根据Lenz的定律,如果磁场B正在增加,则循环电流产生磁场B',该磁场B'与磁通压通过环路相反。

通过回路的磁通量B

然后在闭环上感应的EMF变为

∮Cem。(dl)m)= - d / dt(∮sbm。(ds)m)

负面标志代表Lenz的法律

电感

线圈中的磁感应效果随着时间的时间改变,电感L表示。在线圈中产生EMF的原因是电流流过它。因此,线圈中的电流的任何变化都是根据Lenz的法律所诱导的EMF反对。

反对当前变化的这种属性被称为电感。在线圈内的这种通量的变化不仅由于线圈中的电流的变化而发生,而且还发生了附近线圈的电流的变化。因此,电感可以是自感或相互电感。

自感

假设给定电路是单环线圈,然后电流的任何变化会改变与电流相关联的磁通量。给定的线圈本身拦截磁通量并导致通量的变化会导致诱导线圈本身中的EMF。该EMF称为自诱导的EMF,其驱动与电流变化相反的感应电流。

这意味着,当电流增加,然后感应电动势降低电流,并试图保持其原始值。同样,如果电流减小,感应电动势增加电流,并试图保持原值。

因此,任何变化的电流通过线圈是反对线圈,这一性质称为自感线圈。由于感应电动势反对其产生的原因,这个电动势也被称为反电动势或反电动势。

自感

如果电路有N个相同的匝数,则磁链等于NΦ。同样,如果电路所环绕的介质是线性的,那么磁通连杆就与电流成正比。IE。,

总通量链,λ = NΦ和

λαnφ

λαi

λ=我

L是电感常数

λ / I

l =nφ/ i

或者

E = - ndφ/ dt

通量可以表示为

Φ = (Φ / i) × i

只要介质是线性的(渗透率是恒定的),通量与电流的比率是恒定的。

磁通=(φ/ i)×电流变化率的速率

dφ/ dt =(φ/ i)×di / dt

在EMF方程中取代,我们得到

e = - N (Φ / I) × dI/ dt

e = - (nφ/ i)×di / dt

式中(N Φ / I)为自感,记为l。定义为每安培电流的磁通链,用Henry (H)测量

e = - l di / dt

进一步将自感系数表示为

l =nφ/ i

但φ= MMF /毫无稳定

= ni / s

然后l =(n / i)×(ni / s)

L = (n2 / s)

同样地,grudtane S = l/µa

其中L是磁通路径的长度,A是磁路通过的磁路横截面的面积。

然后L =(n2 /(l /μa))

L = (N2µa / L)

L = (N2µoµr a) / L Henries

相互电感

通过改变相邻电路中的电流而在电路中产生感应电动势的现象称为互感。如图所示,考虑两个相邻的线圈。通过线圈A的电流产生磁通Φ1,部分磁通与线圈B相连。

这被称为相互通量Φ2。如果通过线圈A的电流改变了,那么磁通Φ1也改变了。由于这个磁通与B线圈有关,因此相互磁通的变化Φ2在B线圈中感应出电动势。这个电动势称为相互感应电动势。

该EMF进一步驱动通过线圈B的电流。因此,相互电感是由于另一个线圈中的电流的变化引起的EMF在线圈中感应的特性。

相互电感

在线圈B中感应的EMF是

e2 = - N2 dΦ2 /dt

负号表示,感应电动势建立了一个电流,反对变化的通量与线圈根据楞次定律。

我们可以表示Φ2 = (Φ2/I1) × I1

如果介质的渗透率是恒定的,则Φ2与I1成正比,因此该比值(Φ2/I1)是恒定的。
Φ2的变化率= (Φ2 / I1) ×电流I1的变化率

dφ2/ dt =(φ2/ i1)×di1 / dt

因此,感应电动势为

e2 = - N2 (Φ2 / I1) × dI1/ dt

E2 = - (n2φ2/ i1)×di1 / dt

式中(N2 Φ2 / I1)为互感,记为m。定义为一个线圈中每安培电流变化的总磁通连接数。以亨利(H)为单位测量,则感应电动势为

E2 = - M×DI1 / DT

此外,这种互感表示为

M = (n2 Φ2 / i1)

其中Φ2为I1产生的通量Φ1部分。考虑K1是与线圈B连接的Φ1的分数,即

φ2=k1φ1

则M = (N2 K1 Φ1 / I1)

通量Φ1is表示为

Φ1 = mmf /勉强

= (n1 i1 / s)

因此,m =(n2k1 / i1)×(n1 i1)/ s)

M = (k1 n1 n2) / s

如果线圈产生的总通量是线圈B的链接,则K1 = 1

m =(n1 n2)/ s

但s = s = l /μa

M = (N1 N2) / (l/µa)

M = (N1 N2µoµr a) / l Henries

这是线圈B相对于线圈A的互感,从数学上讲,线圈B由于线圈A产生的互感和线圈A由于线圈B产生的互感是相同的。

螺线管的电感

考虑具有n匝数的螺线管,如图所示。并考虑流过电磁阀的电流是我是横截面区域,并且L是螺线管的长度。

螺线管的电感

给出了螺线管的场强度

H =每米的Ni / L安培

总通量联动= N Φ

= n b a

= nµh a

=µn h a

以上述等式代替H.

总通量连杆=μn(ni / l)a

= (u N2 I A) / l

因此,螺线管的电感为

l =总通量连杆/总电流

l =(μn2ia)/ l)/ i

l =μn2a)/ l铰链

环形的电感

考虑一个半径为R,匝数为N的圆环,如下图所示。让电流通过环是I安培。

环形的电感

给出了环形环内的磁通密度

b =(μni)/(2πr)

有N圈的环形环的总磁通连杆为

总通量联动= N Φ

(既然Φ = B A)

= n ((π ni) / (π r)

= (2πr) / (2πr)

因此,环面电感为

l =总通量连杆/总电流

= (1) / (2πr) (I)

L =(µn2 a) / (2πr)

a是环形的横截面积,其等于πr2米

对于具有内半径R1和外半径R1的环形,高度H具有匝数N的总数,电感为

L = (((N2 h) / (2π)) ln (r2/r1)

电磁诱导应用的实例

发电机

发电机从机械工作中产生电能(电动机的相反功能,转换机械能到电能)。

发电机的轴由诸如涡轮机或发动机的一些机械装置旋转,从而根据法拉第的电磁感应规律在线圈绕组中引起EMF。

发电机

如上图所示,用均匀磁场旋转的线圈来解释发电机的工作原理。但在实际发电机中,导线通常绕在铁芯上。

每根导线形成线圈,线圈的两端通过与线圈一起旋转的滑环连接到外部电路。

外部电路连接固定电刷,当每个电刷滑动时,固定电刷与滑环接触。在发电机中,磁通量可以是移动的,也可以是静止的,这取决于静止或移动的导体。

在上图中,固定磁通由永磁体产生,导体或线圈相对于固定通量移动。由于导体和磁通之间的相对运动,将在线圈或导体中感应EMF。

该EMF驱动电流到外部负载电路。当导体的运动平面与通量的平面平行时,EMF感应为零并且当它垂直时,诱导的EMF将是最大的。该EMF也称为动态诱导的EMF。

变压器

一个变压器本质上是由两个或多个绕组在一个封闭铁芯上组成。通过使用变压器,电源可以从一个交流电路转换到另一个交流电路,以期望的变化电压和电流水平。该变压器基于两个线圈之间的互感原理工作。

当将电压施加到初级绕组时,电流通过它并在芯中设置磁通量。该磁通量在初级线圈中引起EMF,其必须与施加电压完全相等且相反。相同的通量也与芯的另一肢上的次级绕组连接。

因此,通过电磁感应原理在次级绕组中感应出电动势。电动势与各个绕组有关,取决于每个绕组的匝数。因此,在电路之间没有电耦合的情况下,变压器从一个电路传输电力。

通过合理选择二次与一次的匝数比,得到了所需的一次与二次的电压比。

单相TF.

除了这些主要的例子外,还有许多应用程序使用电动电力传输,电磁炉,工业炉,医疗设备,电磁流传感器,乐器(如电小提琴和电吉他)等功能,使用电磁感应原理。。

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