Elektromagnetische Induktion
Das Auftreten der EMF des Leiters bei der Induktion
Wenn Sie sagen Magnetfeld Bewegen Sie den Draht so, dass er die Feldlinien kreuzt, während er sich bewegt. Dann wird der Draht dies tun elektromotorische KraftWird EMF-Induktion genannt.
Eine Induktions-EMK entsteht im Leiter, auch wenn der Leiter selbst stationär bleibt und sich das Magnetfeld bewegt und den Leiter mit seinen Kraftlinien kreuzt.
Wenn der Leiter, in dem die Induktions-EMK induziert wird, an einen externen Stromkreis angeschlossen ist, fließt unter der Wirkung dieser EMK ein Strom durch den Stromkreis, der sogenannte Induktionsstrom.
Das Phänomen der EMF-Induktion in einem Leiter, wenn dieser seine Magnetfeldlinien kreuzt, wird elektromagnetische Induktion genannt.
Elektromagnetische Induktion ist der umgekehrte Vorgang, also die Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie.
Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion wird häufig genutzt Elektrotechnik… Die Einrichtung verschiedener elektrischer Maschinen basiert auf ihrer Verwendung.
Die Größe und Richtung der EMF-Induktion
Betrachten wir nun die Größe und Richtung der im Leiter induzierten EMF.
Die Größe der Induktions-EMF hängt von der Anzahl der Kraftlinien ab, die den Draht pro Zeiteinheit kreuzen, d. h. von der Geschwindigkeit, mit der sich der Draht im Feld bewegt.
Die Größe der induzierten EMF ist direkt proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters in einem Magnetfeld.
Die Größe der induzierten EMF hängt auch von der Länge des Teils des Drahtes ab, der von den Feldlinien gekreuzt wird. Je größer der von den Feldlinien durchquerte Teil des Leiters ist, desto größer ist die induzierte EMK im Leiter. Schließlich gilt: Je stärker das Magnetfeld, also je größer seine Induktion, desto größer ist die EMK im Leiter, die dieses Feld durchquert.
Somit ist der EMF-Wert einer Induktion, die in einem Leiter auftritt, wenn er sich in einem Magnetfeld bewegt, direkt proportional zur Induktion des Magnetfelds, der Länge des Leiters und der Geschwindigkeit seiner Bewegung.
Diese Abhängigkeit wird durch die Formel E = Blv ausgedrückt,
wobei E die Induktions-EMF ist; B – magnetische Induktion; I ist die Länge des Drahtes; v ist die Geschwindigkeit des Drahtes.
Es muss unbedingt beachtet werden, dass in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Induktions-EMK nur dann auftritt, wenn dieser Leiter von den magnetischen Feldlinien des Feldes gekreuzt wird. Wenn sich der Leiter entlang der Feldlinien bewegt, das heißt, er kreuzt sie nicht, sondern scheint an ihnen entlang zu gleiten, dann wird in ihm keine EMF induziert. Daher gilt die obige Formel nur, wenn sich der Draht senkrecht zu den Magnetfeldlinien bewegt.
Die Richtung der induzierten EMK (sowie des Stroms im Draht) hängt von der Richtung ab, in die sich der Draht bewegt. Zur Bestimmung der Richtung der induzierten EMF gibt es eine Rechte-Hand-Regel.
Wenn Sie die Handfläche Ihrer rechten Hand so halten, dass die magnetischen Feldlinien in sie eindringen, und der gebogene Daumen die Bewegungsrichtung des Leiters anzeigen würde, würden die ausgestreckten vier Finger die Wirkungsrichtung der induzierten EMF und die Richtung anzeigen des Stroms im Leiter.
Regel der rechten Hand
EMF-Induktion in der Spule
Wir haben bereits gesagt, dass es zur Erzeugung einer Induktions-EMK in einem Draht notwendig ist, entweder den Draht selbst oder das Magnetfeld in ein Magnetfeld zu bewegen. In beiden Fällen muss der Draht von den magnetischen Feldlinien des Feldes gekreuzt werden, sonst wird keine EMK induziert. Die induzierte EMK und damit der induzierte Strom kann nicht nur in einem geraden Draht, sondern auch in einem zu einer Spule verdrillten Draht auftreten.
Beim Umzug nach innen Spulen Bei einem Permanentmagneten wird darin eine EMF induziert, da der Magnetfluss des Magneten die Windungen der Spule kreuzt, also auf die gleiche Weise wie beim Bewegen eines geraden Drahtes im Feld eines Magneten.
Wenn der Magnet langsam in die Spule abgesenkt wird, ist die darin entstehende EMF so gering, dass die Nadel des Geräts möglicherweise nicht einmal abweicht. Wird der Magnet hingegen schnell in die Spule eingeführt, ist die Auslenkung des Pfeils groß. Das bedeutet, dass die Größe der induzierten EMK und damit die Stärke des Stroms in der Spule von der Geschwindigkeit des Magneten abhängt, also davon, wie schnell die Feldlinien des Feldes die Windungen der Spule kreuzen. Wenn nun abwechselnd zunächst ein starker Magnet und dann ein schwacher Magnet mit gleicher Geschwindigkeit in die Spule eingeführt werden, dann werden Sie feststellen, dass bei einem starken Magneten die Nadel des Geräts in einem größeren Winkel ausweicht.Dies bedeutet, dass die Größe der induzierten EMF und dementsprechend die Stärke des Stroms in der Spule von der Größe des magnetischen Flusses des Magneten abhängt.
Wenn schließlich derselbe Magnet mit der gleichen Geschwindigkeit zuerst in eine Spule mit einer großen Anzahl von Windungen und dann mit einer viel kleineren Anzahl eingeführt wird, weicht die Nadel des Geräts im ersten Fall um einen größeren Winkel ab als in der Zweite. Dies bedeutet, dass die Größe der induzierten EMK und damit die Stärke des Stroms in der Spule von der Anzahl ihrer Windungen abhängt. Die gleichen Ergebnisse können erzielt werden, wenn anstelle eines Permanentmagneten ein Elektromagnet verwendet wird.
Die Richtung der EMF-Induktion in der Spule hängt von der Bewegungsrichtung des Magneten ab. Wie man die Richtung der EMF-Induktion bestimmt, besagt das von E. H. Lenz aufgestellte Gesetz.
Lenzsches Gesetz der elektromagnetischen Induktion
Jede Änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Spule geht mit dem Auftreten einer Induktions-EMK einher, und je schneller die Änderung des magnetischen Flusses, der die Spule durchdringt, desto größer ist die elektromagnetische Kraft darin.
Wenn die Spule, in der die Induktions-EMK erzeugt wird, an einen externen Stromkreis angeschlossen ist, fließt ein Induktionsstrom durch ihre Windungen und erzeugt ein Magnetfeld um den Draht, wodurch sich die Spule in einen Magneten verwandelt. Es stellt sich heraus, dass das sich ändernde äußere Magnetfeld einen induzierten Strom in der Spule induziert, der wiederum ein eigenes Magnetfeld um die Spule erzeugt – das Stromfeld.
E. H. Lenz untersuchte dieses Phänomen und stellte ein Gesetz auf, das die Richtung des Induktionsstroms in der Spule und dementsprechend die Richtung der Induktions-EMF bestimmt.Die in der Spule auftretende Induktions-EMK, wenn sich der Magnetfluss darin ändert, erzeugt einen Strom in der Spule in einer solchen Richtung, dass der durch diesen Strom erzeugte Magnetfluss der Spule eine Änderung des externen Magnetflusses verhindert.
Das Lenzsche Gesetz gilt für alle Fälle der Strominduktion in Drähten, unabhängig von der Form der Drähte und der Art und Weise, wie die Änderung des äußeren Magnetfelds erreicht wird.
Wenn sich der Permanentmagnet relativ zur Drahtspule bewegt, die an die Anschlüsse des Galvanometers angeschlossen ist, oder wenn sich die Spule relativ zum Magneten bewegt, wird ein induzierter Strom erzeugt.
Induktionsströme in massiven Leitern
Der sich ändernde Magnetfluss kann nicht nur in den Windungen der Spule, sondern auch in massiven Metallleitern eine EMF induzieren. Der magnetische Fluss dringt in die Dicke eines massiven Leiters ein und induziert darin eine EMF, die Induktionsströme erzeugt. Diese sogenannten Wirbelströme über einen massiven Draht verteilt und darin kurzgeschlossen.
Die Kerne von Transformatoren, Magnetkerne verschiedener elektrischer Maschinen und Geräte sind nur die massiven Drähte, die durch die in ihnen entstehenden Induktionsströme erhitzt werden. Dieses Phänomen ist daher unerwünscht, um die Größe der Induktionsströme zu reduzieren, die Teile davon elektrische Maschinen und der Kern des Transformators sind nicht massiv, sondern bestehen aus dünnen Blechen, die mit Papier oder einer Isolierlackschicht voneinander isoliert sind. Daher ist der Ausbreitungsweg von Wirbelströmen entlang der Masse des Leiters blockiert.
Manchmal werden in der Praxis aber auch Wirbelströme als Nutzströme eingesetzt. Die Nutzung dieser Ströme richtet sich beispielsweise nach der Arbeit Induktionsöfen, Stromzähler und die sogenannten magnetischen Dämpfer beweglicher Teile elektrischer Messgeräte.
Siehe auch: Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion in Gemälden