Eine praktische Anwendung des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion

Das Wort „Induktion“ bedeutet im Russischen die Prozesse der Erregung, Richtung, Erschaffung von etwas. In der Elektrotechnik wird dieser Begriff seit mehr als zwei Jahrhunderten verwendet.

Nachdem Michael Faraday die Veröffentlichungen von 1821 gelesen hatte, in denen die Experimente des dänischen Wissenschaftlers Oersted zu den Ablenkungen einer Magnetnadel in der Nähe eines elektrischen Strom führenden Leiters beschrieben wurden, stellte er sich die Aufgabe, Magnetismus in Elektrizität umzuwandeln.

Nach 10 Jahren Forschung formulierte er das Grundgesetz der elektromagnetischen Induktion und erklärte, dass in jedem geschlossenen Kreislauf eine elektromotorische Kraft induziert wird. Sein Wert wird durch die Änderungsrate des magnetischen Flusses bestimmt, der die betrachtete Schleife durchdringt, jedoch mit einem Minuszeichen.

Übertragung elektromagnetischer Wellen aus der Ferne

Die erste Vermutung, die dem Wissenschaftler in den Sinn kam, war nicht von praktischem Erfolg gekrönt.

Er legte zwei geschlossene Drähte nebeneinander.In der Nähe eines davon installierte ich eine Magnetnadel als Indikator für den fließenden Strom, und in das andere Kabel gab ich einen Impuls von einer damals starken galvanischen Quelle: einem Voltpol.

Der Forscher stellte die Hypothese auf, dass bei einem Stromimpuls im ersten Stromkreis das sich darin ändernde Magnetfeld einen Strom im zweiten Draht induzieren würde, der die Magnetnadel ablenken würde. Das Ergebnis war jedoch negativ – der Indikator funktioniert nicht. Vielmehr mangelte es ihm an Sensibilität.

Das Gehirn des Wissenschaftlers sieht die Erzeugung und Übertragung elektromagnetischer Wellen aus der Ferne vor, die heute in Rundfunk, Fernsehen, drahtloser Steuerung, Wi-Fi-Technologien und ähnlichen Geräten verwendet werden. Er war einfach frustriert über die unvollkommene Elementbasis der damaligen Messgeräte.

Stromproduktion

Nach einem schlechten Experiment änderte Michael Faraday die Bedingungen des Experiments.

Für das Experiment verwendete Faraday zwei Spulen mit geschlossenem Regelkreis. Im ersten Stromkreis speiste er elektrischen Strom aus einer Quelle ein und im zweiten beobachtete er das Auftreten eines EMF. Der Strom, der durch die Windungen von Spule Nr. 1 fließt, erzeugt einen magnetischen Fluss um die Spule, durchdringt Spule Nr. 2 und erzeugt darin eine elektromotorische Kraft.

Während Faradays Experiment:

• Schalten Sie einen Impuls ein, um den Stromkreis mit stationären Spulen mit Spannung zu versorgen.
• Beim Anlegen des Stroms wurde die obere Spule in die untere Spule eingeführt.
• Spule Nr. 1 dauerhaft befestigt und Spule Nr. 2 darin eingeführt;
• veränderte die Bewegungsgeschwindigkeit der Spulen relativ zueinander.

In all diesen Fällen beobachtete er die Manifestation einer EMF-Induktion in der zweiten Spule. Und da nur Gleichstrom durch die Wicklung Nr. 1 und die stationären Spulen floss, gab es keine elektromotorische Kraft.

Der Wissenschaftler stellte fest, dass die in der zweiten Spule induzierte EMF von der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich der magnetische Fluss ändert. Es ist proportional zu seiner Größe.

Das gleiche Muster zeigt sich vollständig beim Durchlaufen einer geschlossenen Schleife magnetische Feldlinien eines Permanentmagneten. Unter dem Einfluss von EMF wird im Draht ein elektrischer Strom erzeugt.

Der magnetische Fluss ändert sich im betrachteten Fall in der durch einen geschlossenen Stromkreis erzeugten Schleife Sk.

So ermöglichte die von Faraday geschaffene Entwicklung die Platzierung eines rotierenden leitfähigen Rahmens in einem Magnetfeld.

Dann wurde es aus einer großen Anzahl von Windungen hergestellt, die in Drehlagern befestigt waren. An den Enden der Spule wurden Schleifringe und darauf gleitende Bürsten installiert und über die Gehäuseanschlüsse wurde eine Last angeschlossen. Das Ergebnis ist eine moderne Lichtmaschine.

Sein einfacherer Aufbau entsteht, wenn die Spule an einem stationären Gehäuse befestigt wird und das Magnetsystem zu rotieren beginnt. In diesem Fall liegt die Art der Stromerzeugung an Elektromagnetische Induktion in keiner Weise verletzt.

Das Funktionsprinzip von Elektromotoren

Das von Michael Faraday entwickelte Gesetz der elektromagnetischen Induktion ermöglicht eine Vielzahl von Elektromotorkonstruktionen. Sie haben einen ähnlichen Aufbau wie Generatoren: einen beweglichen Rotor und einen Stator, die durch rotierende elektromagnetische Felder miteinander interagieren.

Elektrischer Strom fließt nur durch die Statorwicklung des Elektromotors. Es induziert einen magnetischen Fluss, der das Magnetfeld des Rotors beeinflusst. Dadurch entstehen Kräfte, die die Motorwelle drehen. Siehe zu diesem Thema — Das Funktionsprinzip und das Gerät des Elektromotors

Stromtransformation

Michael Faraday bestimmte das Auftreten einer induzierten elektromotorischen Kraft und eines induzierten Stroms in einer nahegelegenen Spule, wenn sich das Magnetfeld in der benachbarten Spule änderte.

Der Strom in der nahegelegenen Spule wird beim Einschalten des Schalterstromkreises in Spule 1 induziert und liegt während des Betriebs des Generators immer an Spule 3 an.

Der Betrieb aller modernen Transformatorgeräte basiert auf dieser Eigenschaft, der sogenannten Gegeninduktion.

Um den Durchgang des magnetischen Flusses zu verbessern, verfügen sie über isolierte Wicklungen, die auf einem gemeinsamen Kern mit minimalem magnetischem Widerstand angeordnet sind. Es besteht aus speziellen Stahlsorten und wird durch Stapeln dünner Bleche in Form von Abschnitten einer bestimmten Form, einem sogenannten Magnetkern, gebildet.

Transformatoren übertragen aufgrund der gegenseitigen Induktion die Energie eines elektromagnetischen Wechselfelds von einer Spule auf eine andere, sodass eine Änderung, eine Transformation des Spannungswerts an seinen Eingangs- und Ausgangsklemmen auftritt.

Das Verhältnis der Windungszahlen in den Wicklungen bestimmt den Transformationskoeffizienten und die Dicke des Drahtes, die Konstruktion und das Volumen des Kernmaterials – den Wert der übertragenen Leistung, den Betriebsstrom.

Betrieb von Induktoren

Die Manifestation elektromagnetischer Induktion wird in der Spule beobachtet, wenn sich der Wert des darin fließenden Stroms ändert. Dieser Vorgang wird Selbstinduktion genannt.

Beim Einschalten des Schalters im obigen Diagramm ändert der induzierte Strom den Charakter des linearen Anstiegs des Betriebsstroms im Stromkreis sowie beim Ausschalten.

Wenn an den in der Spule gewickelten Draht keine konstante, sondern eine Wechselspannung angelegt wird, fließt durch ihn der um den induktiven Widerstand verringerte Wert des Stroms.Selbstinduktionsenergie verschiebt die Phase des Stroms in Bezug auf die angelegte Spannung.

Dieses Phänomen wird bei Drosseln genutzt, die die unter bestimmten Betriebsbedingungen auftretenden großen Ströme reduzieren sollen. Insbesondere kommen solche Geräte zum Einsatz im Stromkreis zur Beleuchtung von Leuchtstofflampen.

Das Merkmal der Konstruktion des Magnetkreises der Drossel ist der Ausschnitt der Platten, der durch die Bildung eines Luftspalts den magnetischen Widerstand gegen den Magnetfluss weiter erhöht.

Drosseln mit geteilter und einstellbarer Magnetkreisposition werden in vielen Radio- und Elektrogeräten eingesetzt. Nicht selten sind sie beim Bau von Schweißtransformatoren zu finden. Sie reduzieren die Stärke des durch die Elektrode geführten Lichtbogens auf den optimalen Wert.

Induktionsöfen

Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion manifestiert sich nicht nur in Drähten und Spulen, sondern auch im Inneren aller massiven Metallgegenstände. Die in ihnen induzierten Ströme werden üblicherweise Wirbelströme genannt. Beim Betrieb von Transformatoren und Drosseln führen sie zu einer Erwärmung des Magnetkreises und der gesamten Struktur.

Um dieses Phänomen zu verhindern, bestehen die Kerne aus dünnen Metallblechen und sind mit einer Lackschicht isoliert, die den Durchgang induzierter Ströme verhindert.

In Heizkonstruktionen begrenzen Wirbelströme nicht, sondern schaffen die günstigsten Bedingungen für ihren Durchgang. Induktionsöfen werden in der industriellen Produktion häufig zur Erzeugung hoher Temperaturen eingesetzt.

Elektrotechnische Messgeräte

Eine große Klasse von Induktionsgeräten wird weiterhin mit Strom betrieben.Stromzähler mit rotierender Aluminiumscheibe, ähnlich dem Aufbau eines Leistungsrelais, Dämpfungszeigersysteme, arbeiten nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Gasmagnetgeneratoren

Bewegt sich im Feld eines Magneten statt eines geschlossenen Rahmens ein leitendes Gas, eine Flüssigkeit oder ein Plasma, so beginnen die Ladungen der Elektrizität unter Einwirkung magnetischer Feldlinien in genau definierte Richtungen abzuweichen und bilden einen elektrischen Strom. Sein Magnetfeld induziert an den montierten Elektrodenkontaktplatten eine elektromotorische Kraft. Unter seiner Wirkung wird im angeschlossenen Stromkreis zum MHD-Generator ein elektrischer Strom erzeugt.

Somit manifestiert sich das Gesetz der elektromagnetischen Induktion in MHD-Generatoren.

Es gibt keine komplizierten rotierenden Teile wie den Rotor. Dies vereinfacht das Design, ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Temperatur der Arbeitsumgebung und gleichzeitig die Effizienz der Stromerzeugung. MHD-Generatoren dienen als Backup- oder Notstromquelle und können für kurze Zeiträume erhebliche Stromflüsse erzeugen.

Daher ist das Gesetz der elektromagnetischen Induktion, das einst von Michael Faraday begründet wurde, auch heute noch relevant.