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Induktivitäten und Magnetfelder. Teil 2. Elektromagnetische Induktion und Induktivität

 

Der erste Teil des Artikels: Induktivitäten und Magnetfelder


Das Verhältnis von elektrischen und magnetischen Feldern

Elektromagnetische Induktion und InduktivitätElektrische und magnetische Phänomene wurden lange Zeit untersucht, aber es ist niemandem in den Sinn gekommen, diese Studien irgendwie miteinander in Beziehung zu setzen. Und erst 1820 wurde entdeckt, dass ein Stromleiter auf die Kompassnadel einwirkt. Diese Entdeckung gehörte dem dänischen Physiker Hans Christian Oersted. Anschließend wurde die Maßeinheit der Magnetfeldstärke im GHS-System nach ihm benannt: die russische Bezeichnung E (Oersted), die englische Bezeichnung Oe. Das Magnetfeld hat eine solche Intensität im Vakuum während der Induktion von 1 Gauß.

Diese Entdeckung legte nahe, dass ein Magnetfeld aus einem elektrischen Strom erhalten werden könnte. Gleichzeitig entstanden Gedanken über die inverse Transformation, nämlich wie man aus einem Magnetfeld elektrischen Strom gewinnt. In der Tat sind viele Prozesse in der Natur reversibel: Eis wird aus Wasser gewonnen, das wieder zu Wasser geschmolzen werden kann.

Nach der Entdeckung von Oersted dauerte das Studium dieses nunmehr offensichtlichen physikalischen Gesetzes bis zu zweiundzwanzig Jahre. Der englische Wissenschaftler Michael Faraday beschäftigte sich mit der Gewinnung von Elektrizität aus einem Magnetfeld. Es wurden Leiter und Magnete in verschiedenen Formen und Größen hergestellt und Optionen für ihre gegenseitige Anordnung gesucht. Und nur zufällig entdeckte der Wissenschaftler, dass, um EMF an den Enden des Leiters zu erhalten, ein weiterer Begriff benötigt wird - die Bewegung des Magneten, d.h. Das Magnetfeld muss variabel sein.

Das überrascht niemanden. So funktionieren alle elektrischen Generatoren - während sie mit etwas gedreht werden, wird Strom erzeugt, eine Glühbirne leuchtet. Hielt an, hörte auf sich zu drehen und das Licht ging aus.


Elektromagnetische Induktion

Somit tritt die EMF an den Enden des Leiters nur auf, wenn sie in einem Magnetfeld auf eine bestimmte Weise bewegt wird. Genauer gesagt muss sich das Magnetfeld notwendigerweise ändern, variabel sein. Dieses Phänomen wird in der russischen elektromagnetischen Führung als elektromagnetische Induktion bezeichnet: In diesem Fall heißt es, dass EMF im Leiter induziert wird. Wenn eine Last an eine solche EMF-Quelle angeschlossen ist, fließt ein Strom im Stromkreis.

Die Größe der induzierten EMF hängt von mehreren Faktoren ab: der Länge des Leiters, der Induktion des Magnetfelds B und in hohem Maße von der Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters im Magnetfeld. Je schneller sich der Generatorrotor dreht, desto höher ist die Spannung an seinem Ausgang.

Hinweis: Die elektromagnetische Induktion (das Auftreten von EMF an den Enden eines Leiters in einem magnetischen Wechselfeld) sollte nicht mit der magnetischen Induktion verwechselt werden - einer vektorphysikalischen Größe, die das tatsächliche Magnetfeld charakterisiert.


Drei Möglichkeiten, um EMF zu bekommen


Induktion

Diese Methode wurde berücksichtigt. im ersten Teil des Artikels. Es reicht aus, den Leiter im Magnetfeld des Permanentmagneten zu bewegen oder umgekehrt (fast immer durch Drehung) den Magneten in der Nähe des Leiters zu bewegen. Mit beiden Optionen können Sie auf jeden Fall ein magnetisches Wechselfeld erhalten. In diesem Fall wird das Verfahren zum Erhalten der EMF Induktion genannt. Es ist eine Induktion, die verwendet wird, um EMF in verschiedenen Generatoren zu erhalten. In den Experimenten von Faraday im Jahr 1831 bewegte sich der Magnet schrittweise innerhalb der Drahtspule.


Gegenseitige Induktion

Dieser Name legt nahe, dass zwei Leiter an diesem Phänomen beteiligt sind. In einem von ihnen fließt ein sich ändernder Strom, der ein magnetisches Wechselfeld um ihn herum erzeugt. Befindet sich ein anderer Leiter in der Nähe, befindet sich an seinen Enden eine variable EMF.

Diese Methode zur Gewinnung von EMF wird als gegenseitige Induktion bezeichnet.Nach dem Prinzip der gegenseitigen Induktion arbeiten alle Transformatoren, nur ihre Leiter bestehen aus Spulen, und Kerne aus ferromagnetischen Materialien werden zur Verbesserung der magnetischen Induktion verwendet.

Wenn der Strom im ersten Leiter stoppt (offener Stromkreis) oder sogar sehr stark, aber konstant wird (es gibt keine Änderungen), kann an den Enden des zweiten Leiters keine EMF erhalten werden. Deshalb arbeiten Transformatoren nur mit Wechselstrom: Wenn eine galvanische Batterie an die Primärwicklung angeschlossen ist, liegt am Ausgang der Sekundärwicklung definitiv keine Spannung an.

EMF in der Sekundärwicklung wird nur induziert, wenn sich das Magnetfeld ändert. Darüber hinaus ist die induzierte EMF umso größer, je stärker die Änderungsrate ist, nämlich die Geschwindigkeit und nicht der Absolutwert.

Drei Möglichkeiten, um EMF zu bekommen

Selbstinduktion

Wenn Sie den zweiten Leiter entfernen, durchdringt das Magnetfeld im ersten Leiter nicht nur den umgebenden Raum, sondern auch den Leiter selbst. Unter dem Einfluss seines Feldes im Leiter induzierte EMF, die als EMF der Selbstinduktion bezeichnet wird.

Die Phänomene der Selbstinduktion im Jahr 1833 wurden vom russischen Wissenschaftler Lenz untersucht. Basierend auf diesen Experimenten wurde ein interessantes Muster gefunden: Die EMF der Selbstinduktion wirkt immer entgegen und kompensiert das externe magnetische Wechselfeld, das diese EMF verursacht. Diese Abhängigkeit wird als Lenz-Regel bezeichnet (nicht zu verwechseln mit dem Joule-Lenz-Gesetz).

Das Minuszeichen in der Formel spricht nur davon, der EMF der Selbstinduktion durch ihre Ursachen entgegenzuwirken. Wenn die Spule an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, steigt der Strom ziemlich langsam an. Dies macht sich besonders dann bemerkbar, wenn die Primärwicklung des Transformators mit einem Wähl-Ohmmeter „gewählt“ wird: Die Geschwindigkeit des Pfeils in Richtung der Nullskalenteilung ist merklich niedriger als beim Testen von Widerständen.

Wenn die Spule von der Stromquelle getrennt wird, verursacht die selbstinduktive EMK eine Funkenbildung der Relaiskontakte. In dem Fall, in dem die Spule von einem Transistor, beispielsweise einer Relaisspule, gesteuert wird, ist eine Diode in Bezug auf die Stromquelle in entgegengesetzter Richtung parallel dazu angeordnet. Dies geschieht, um die Halbleiterelemente vor dem Einfluss der EMF-Selbstinduktion zu schützen, die zehn- oder sogar hundertmal höher sein kann als die Spannung der Stromquelle.

Für die Durchführung von Experimenten konstruierte Lenz ein interessantes Gerät. Zwei Aluminiumringe sind an den Enden des Aluminiumkipphebels befestigt. Ein Ring ist fest und der andere wurde geschnitten. Die Wippe dreht sich frei auf der Nadel.

Selbstinduktion

Wenn ein Permanentmagnet in einen festen Ring eingeführt wurde, "entkam" er dem Magneten, und als der Magnet entfernt wurde, suchte er danach. Die gleichen Aktionen mit dem Schneidring verursachten keine Bewegungen. Dies liegt daran, dass in einem kontinuierlichen Ring unter dem Einfluss eines magnetischen Wechselfeldes ein Strom entsteht, der ein Magnetfeld erzeugt. Im offenen Ring gibt es jedoch keinen Strom, daher gibt es auch kein Magnetfeld.

Ein wichtiges Detail dieses Experiments ist, dass, wenn ein Magnet in den Ring eingeführt wird und stationär bleibt, keine Reaktion des Aluminiumrings auf das Vorhandensein des Magneten beobachtet wird. Dies bestätigt erneut, dass die Induktions-EMK nur im Falle einer Änderung des Magnetfelds auftritt und die Größe der EMF von der Änderungsrate abhängt. In diesem Fall einfach aus der Bewegungsgeschwindigkeit des Magneten.

Das Gleiche gilt für die gegenseitige Induktion und Selbstinduktion, nur eine Änderung der Magnetfeldstärke, genauer gesagt, ihre Änderungsrate hängt von der Änderungsrate des Stroms ab. Um dieses Phänomen zu veranschaulichen, können wir ein Beispiel geben.

Lassen Sie große Ströme durch zwei ausreichend große identische Spulen fließen: durch die erste Spule 10A und durch die zweite bis zu 1000, wobei die Ströme in beiden Spulen linear ansteigen. Angenommen, in einer Sekunde änderte sich der Strom in der ersten Spule von 10 auf 15 A und in der zweiten von 1000 auf 1001 A, was das Auftreten einer selbstinduktiven EMF in beiden Spulen verursachte.

Trotz eines so großen Wertes des Stroms in der zweiten Spule ist die Selbstinduktions-EMK in der ersten größer, da dort die Stromänderungsrate 5 A / s und in der zweiten nur 1 A / s beträgt. In der Tat hängt die EMK der Selbstinduktion von der Anstiegsrate des Stroms (Lesen des Magnetfelds) und nicht von seinem absoluten Wert ab.


Induktivität

Die magnetischen Eigenschaften der Spule mit Strom hängen von der Anzahl der Windungen und den geometrischen Abmessungen ab. Eine signifikante Erhöhung des Magnetfeldes kann durch Einbringen eines ferromagnetischen Kerns in die Spule erreicht werden. Die magnetischen Eigenschaften der Spule können mit ausreichender Genauigkeit anhand der Größe der EMK der Induktion, gegenseitigen Induktion oder Selbstinduktion beurteilt werden. Alle diese Phänomene wurden oben betrachtet.

Die Charakteristik der Spule, die davon spricht, wird als Induktivitätskoeffizient (Selbstinduktion) oder einfach als Induktivität bezeichnet. In Formeln wird die Induktivität mit dem Buchstaben L bezeichnet, und in den Diagrammen bezeichnet der gleiche Buchstabe die Induktivitätsspulen.

Die Induktivitätseinheit ist Henry (GN). Die Induktivität 1H hat eine Spule, in der, wenn sich der Strom um 1A pro Sekunde ändert, eine EMF von 1 V erzeugt wird. Dieser Wert ist ziemlich groß: Netzwerkwicklungen ausreichend leistungsfähiger Transformatoren haben eine Induktivität von einem oder mehreren GN.

Daher verwenden sie ziemlich oft Werte kleinerer Ordnung, nämlich Milli und Micro-Henry (mH und μH). Solche Spulen werden in elektronischen Schaltungen verwendet. Eine der Anwendungen von Spulen sind Schwingkreise in Funkgeräten.

Außerdem werden Spulen als Drosseln verwendet, deren Hauptzweck darin besteht, Gleichstrom ohne Verlust zu überspringen, während der Wechselstrom (Filter) geschwächt wird in Netzteilen) Im Allgemeinen sind umso weniger Induktivitätsspulen erforderlich, je höher die Betriebsfrequenz ist.


Induktivität

Wenn Sie einen ausreichend leistungsfähigen Netztransformator nehmen und Mit einem Multimeter messen Widerstand der Primärwicklung stellt sich heraus, dass es nur wenige Ohm und sogar nahe Null ist. Es stellt sich heraus, dass der Strom durch eine solche Wicklung sehr groß ist und sogar gegen unendlich tendiert. Ein Kurzschluss scheint unvermeidlich! Warum ist er nicht?

Eine der Haupteigenschaften von Induktivitäten ist der induktive Widerstand, der von der Induktivität und der Frequenz des Wechselstroms abhängt, der an die Spule angeschlossen ist.

Es ist leicht zu erkennen, dass mit zunehmender Frequenz und Induktivität der induktive Widerstand zunimmt und im Gleichstrom im Allgemeinen gleich Null wird. Daher wird bei der Messung des Widerstands von Spulen mit einem Multimeter nur der aktive Widerstand des Drahtes gemessen.

Das Design der Induktivitäten ist sehr unterschiedlich und hängt von den Frequenzen ab, bei denen die Spule arbeitet. Beispielsweise werden für Arbeiten im Dezimeterbereich von Funkwellen häufig Spulen verwendet, die durch gedruckte Verkabelung hergestellt werden. In der Massenproduktion ist diese Methode sehr praktisch.

Die Induktivität einer Spule hängt von ihren geometrischen Abmessungen, dem Kern, der Anzahl der Schichten und der Form ab. Gegenwärtig wird eine ausreichende Anzahl von Standardinduktoren hergestellt, ähnlich wie bei herkömmlichen Widerständen mit Leitungen. Das Markieren solcher Spulen erfolgt mit farbigen Ringen. Es gibt auch oberflächenmontierte Spulen, die als Drosseln verwendet werden. Die Induktivität solcher Spulen beträgt mehrere Milligene.

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • So erkennen Sie geschlossene Schleifen
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