Elektromagnetilise induktsiooni nähtus on nähtus, mis seisneb pidev alt muutuvas magnetväljas asuvas kehas elektromotoorjõu või pinge ilmnemises. Elektromagnetilise induktsiooni tulemusena tekib elektromotoorjõud ka siis, kui keha liigub staatilises ja ebaühtlases magnetväljas või pöörleb magnetväljas nii, et selle suletud ahelat lõikuvad jooned muutuvad.
Indutseeritud elektrivool
Induktsiooni mõiste all mõeldakse protsessi tekkimist teise protsessi mõju tulemusena. Näiteks saab indutseerida elektrivoolu, see tähendab, et see võib ilmneda juhi erilisel viisil magnetväljaga kokkupuute tagajärjel. Sellist elektrivoolu nimetatakse indutseeritud. Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tagajärjel elektrivoolu tekkimise tingimusi käsitletakse artiklis hiljem.
Magnetvälja mõiste
EnneElektromagnetilise induktsiooni nähtuse uurimise alustamiseks on vaja mõista, mis on magnetväli. Lihtsam alt öeldes on magnetväli ruumi piirkond, milles magnetiline materjal avaldab oma magnetilisi mõjusid ja omadusi. Seda ruumipiirkonda saab kujutada joonte abil, mida nimetatakse magnetvälja joonteks. Nende joonte arv tähistab füüsikalist suurust, mida nimetatakse magnetvooks. Magnetvälja jõujooned on suletud, algavad magneti põhjapoolusest ja lõpevad lõunas.
Magnetväljal on võime mõjuda mis tahes magnetiliste omadustega materjalidele, näiteks elektrivoolu raudjuhtidele. Seda välja iseloomustab magnetiline induktsioon, mida tähistatakse B-ga ja mõõdetakse teslas (T). Magnetiline induktsioon 1 T on väga tugev magnetväli, mis mõjub 1 njuutoni jõuga punktlaengule 1 kulon, mis lendab magnetvälja joontega risti kiirusega 1 m/s, see tähendab 1 T.=1 Ns / (mCl).
Kes avastas elektromagnetilise induktsiooni nähtuse?
Elektromagnetiline induktsioon, mille põhimõttel põhinevad paljud kaasaegsed seadmed, avastati XIX sajandi 30. aastate alguses. Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse avastamise põhjuseks on tavaliselt Michael Faraday (avastuskuupäev – 29. august 1831). Teadlane tugines Taani füüsiku ja keemiku Hans Oerstedi katsete tulemustele, kes avastasid, et juht, mille kaudu voolab elektrivool, tekitabmagnetväli enda ümber, see tähendab, et see hakkab näitama magnetilisi omadusi.
Faraday avastas omakorda Oerstedi avastatud nähtuse vastandi. Ta märkas, et muutuv magnetväli, mida saab tekitada juhis oleva elektrivoolu parameetrite muutmisega, toob kaasa potentsiaalsete erinevuste ilmnemise mis tahes voolujuhi otstes. Kui need otsad on ühendatud näiteks läbi elektrilambi, siis läbi sellise ahela liigub elektrivool.
Selle tulemusel avastas Faraday füüsikalise protsessi, mille tulemusena tekib magnetvälja muutumise tõttu juhis elektrivool, mis on elektromagnetilise induktsiooni nähtus. Samal ajal pole indutseeritud voolu moodustamisel oluline, mis liigub: magnetväli või juht ise. Seda saab hõlpsasti näidata, tehes sobiva katse elektromagnetilise induktsiooni nähtuse kohta. Niisiis, asetades magneti metallspiraali sisse, hakkame seda liigutama. Kui ühendate spiraali otsad mõne elektrivoolu indikaatori kaudu ahelasse, näete voolu välimust. Nüüd tuleks magnet rahule jätta ja spiraali magneti suhtes üles-alla liigutada. Indikaator näitab ka voolu olemasolu ahelas.
Faraday eksperiment
Faraday katsed koosnesid tööst juhi ja püsimagnetiga. Michael Faraday avastas esmakordselt, et kui juht liigub magnetvälja sees, tekib selle otstes potentsiaalide erinevus. Liikuv juht hakkab ületama magnetvälja jooni, mis simuleeribselle välja muutmise mõju.
Teadlane avastas, et tekkiva potentsiaalide erinevuse positiivsed ja negatiivsed märgid sõltuvad juhi liikumissuunast. Näiteks kui juht on magnetväljas üles tõstetud, siis tekkiv potentsiaalide erinevus on +- polaarsusega, aga kui seda juhti langetada, siis saame juba polaarsuse -+. Need muutused potentsiaalide märgis, mille erinevust nimetatakse elektromotoorjõuks (EMF), põhjustavad suletud ahelas vahelduvvoolu, st voolu, mis muudab pidev alt oma suunda vastupidiseks.
Faraday avastas elektromagnetilise induktsiooni omadused
Teades, kes avastas elektromagnetilise induktsiooni nähtuse ja miks on indutseeritud vool, selgitame mõningaid selle nähtuse omadusi. Seega, mida kiiremini liigutate juhti magnetväljas, seda suurem on ahelas indutseeritud voolu väärtus. Nähtuse teine tunnus on järgmine: mida suurem on välja magnetinduktsioon ehk mida tugevam on see väli, seda suurema potentsiaalide erinevuse võib see tekitada juhi liigutamisel väljas. Kui juht on magnetväljas puhkeolekus, ei teki selles EMF-i, kuna juhti ristuvates magnetinduktsiooni joontes ei muutu.
Elektrivoolu suund ja vasaku käe reegel
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tagajärjel tekkiva elektrivoolu suuna määramiseks juhis saatekasutada nn vasaku käe reeglit. Selle saab sõnastada järgmiselt: kui vasak käsi asetada nii, et magneti põhjapoolusest algavad magnetinduktsiooni jooned sisenevad peopessa ja väljaulatuv pöial on suunatud juhi liikumissuunas. magneti välja, siis näitavad vasaku käe ülejäänud neli sõrme juhis indutseeritud voolu liikumissuunda.
Sellel reeglil on veel üks versioon, see on järgmine: kui vasaku käe nimetissõrm on suunatud piki magnetinduktsiooni joont ja väljaulatuv pöial on suunatud juhi suunas, siis 90 kraadi peopesa poole pööratud keskmine sõrm näitab juhis ilmuva voolu suunda.
Eneseinduktsiooni nähtus
Hans Christian Oersted avastas magnetvälja olemasolu vooluga juhi või pooli ümber. Teadlane leidis ka, et selle välja omadused on otseselt seotud voolu tugevuse ja selle suunaga. Kui vool mähises või juhis on muutuv, tekitab see magnetvälja, mis ei jää paigale, see tähendab, et see muutub. See vahelduv väli viib omakorda indutseeritud voolu ilmnemiseni (elektromagnetilise induktsiooni nähtus). Induktsioonvoolu liikumine on alati vastupidine juhtme kaudu ringlevale vahelduvvoolule, see tähendab, et see peab vastu igale voolu suuna muutusele juhis või mähises. Seda protsessi nimetatakse eneseinduktsiooniks. Saadud elektriline erinevuspotentsiaali nimetatakse eneseinduktsiooni EMF-iks.
Pange tähele, et iseinduktsiooni nähtus ei ilmne mitte ainult siis, kui voolu suund muutub, vaid ka siis, kui see muutub näiteks vooluahela takistuse vähenemise tõttu suurenedes.
Iseinduktsioonist tingitud voolutugevuse muutumisest vooluahelas tekitatava takistuse füüsiliseks kirjeldamiseks võeti kasutusele induktiivsuse mõiste, mida mõõdetakse henrides (Ameerika füüsiku Joseph Henry auks). Üks henry on selline induktiivsus, mille puhul, kui vool muutub 1 ampri võrra 1 sekundi jooksul, tekib iseinduktsiooni protsessis EMF, mis võrdub 1 voltiga.
Vahelduvvool
Kui induktiivpool hakkab magnetväljas pöörlema, tekitab see elektromagnetilise induktsiooni nähtuse tagajärjel indutseeritud voolu. See elektrivool on muutuv, mis tähendab, et see muudab suunda süstemaatiliselt.
Vahelduvvool on tavalisem kui alalisvool. Seega kasutavad seda tüüpi voolu paljud seadmed, mis töötavad kesksest elektrivõrgust. Vahelduvvoolu on lihtsam esile kutsuda ja transportida kui alalisvoolu. Kodumajapidamises kasutatava vahelduvvoolu sagedus on reeglina 50-60 Hz, see tähendab, et 1 sekundi jooksul muutub selle suund 50-60 korda.
Vahelduvvoolu geomeetriline esitus on sinusoidne kõver, mis kirjeldab pinge sõltuvust ajast. Kodumajapidamises kasutatava voolu sinusoidse kõvera täisperiood on ligikaudu 20 millisekundit. Vastav alt soojusefektile on vahelduvvool sarnane voolugaDC, mille pinge on Umax/√2, kus Umax on maksimaalne pinge vahelduvvoolu sinusoidaalsel kõveral.
Elektromagnetilise induktsiooni kasutamine tehnoloogias
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse avastamine tõi kaasa tõelise buumi tehnoloogia arengus. Enne seda avastust suutsid inimesed elektripatareide abil elektrit toota vaid piiratud koguses.
Praegu kasutatakse seda füüsikalist nähtust elektritrafodes, kütteseadmetes, mis muudavad indutseeritud voolu soojuseks, ning elektrimootorites ja autogeneraatorites.
