Aruhan elektromagnet

Arus elektrik berselang-seli mengalir melalui solenoid di sebelah kiri, menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah. Medan ini menyebabkan, melalui aruhan elektromagnet, arus elektrik mengalir dalam gelung wayar di sebelah kanan.

Aruhan elektromagnet atau pengaruhan elektromagnet ialah penghasilan daya gerak elektrik merentasi pengalir elektrik dalam medan magnet yang berubah-ubah.

Michael Faraday secara amnya dikreditkan dengan penemuan aruhan pada tahun 1831, dan James Clerk Maxwell secara matematik menggambarkannya sebagai Hukum aruhan Faraday . Hukum Lenz menerangkan arah medan teraruh. Undang-undang Faraday kemudiannya diteritlakan menjadi persamaan Maxwell–Faraday, salah satu daripada empat persamaan Maxwell dalam teori elektromagnetismenya .

Aruhan elektromagnet telah menemui banyak aplikasi, termasuk komponen elektrik seperti Peraruh dan Alatubah, dan peranti seperti motor elektrik dan penjana .

Sejarah

Percubaan Faraday menunjukkan aruhan antara gegelung wayar: Bateri cecair (kanan) memberikan arus yang mengalir melalui gegelung kecil (A), mewujudkan medan magnet. Apabila gegelung pegun, tiada arus teraruh. Tetapi apabila gegelung kecil digerakkan masuk atau keluar dari gegelung besar (B), fluks magnet melalui gegelung besar berubah, mendorong arus yang dikesan oleh galvanometer (G) .

Gambar rajah radas gelang besi Faraday. Perubahan dalam fluks magnet gegelung kiri mendorong arus dalam gegelung kanan.

Aruhan elektromagnet ditemui oleh Michael Faraday, diterbitkan pada tahun 1831. Ia ditemui secara bebas oleh Joseph Henry pada tahun 1832.

Dalam demonstrasi percubaan pertama Faraday (29 Ogos 1831), dia membungkus dua dawai di sekeliling sisi bertentangan gelang besi atau " torus " (suatu susunan yang serupa dengan pengubah toroidal moden). Berdasarkan pemahamannya tentang elektromagnet, dia menjangkakan bahawa, apabila arus mula mengalir dalam satu dawai, sejenis gelombang akan bergerak melalui gelang dan menyebabkan beberapa kesan elektrik pada bahagian yang bertentangan. Dia memasangkan satu dawai ke dalam galvanometer, dan memerhatikannya semasa dia menyambung dawai yang satu lagi ke bateri. Dia melihat arus sementara, yang dipanggil "gelombang elektrik", apabila dia menyambung dawai ke bateri dan satu lagi apabila dia memutuskannya. Aruhan ini disebabkan oleh perubahan fluks magnet yang berlaku apabila bateri disambungkan dan diputuskan. Dalam masa dua bulan, Faraday menemui beberapa manifestasi lain aruhan elektromagnet. Sebagai contoh, dia melihat arus sementara apabila dia dengan cepat menggelongsor magnet bar masuk dan keluar dari gegelung dawai, dan dia menghasilkan arus tetap ( DC ) dengan memutarkan cakera kuprum berhampiran magnet bar dengan plumbum elektrik gelongsor (" cakera Faraday ").

Faraday menjelaskan aruhan elektromagnet menggunakan konsep yang dipanggilnya garis daya . Walau bagaimanapun, ahli sains pada masa itu secara meluas menolak idea teorinya, terutamanya kerana ia tidak dirumus secara matematik. Pengecualian ialah James Clerk Maxwell, yang menggunakan idea Faraday sebagai asas kepada teori elektromagnet kuantitatifnya. Dalam model Maxwell, aspek masa yang berbeza-beza aruhan elektromagnet dinyatakan sebagai persamaan pembezaan, yang Oliver Heaviside rujuk sebagai hukum Faraday walaupun ia berbeza sedikit daripada rumusan asal Faraday dan tidak menggambarkan EMF bergerak. Versi Heaviside (lihat persamaan Maxwell–Faraday di bawah ) ialah bentuk yang diiktiraf hari ini dalam kumpulan persamaan yang dikenali sebagai persamaan Maxwell .

Pada tahun 1834 Heinrich Lenz merumuskan undang-undang yang dinamakan sempena namanya untuk menggambarkan "fluks melalui litar". Hukum Lenz memberikan arah EMF teraruh dan arus yang terhasil daripada aruhan elektromagnet.

Teori

Hukum aruhan Faraday dan hukum Lenz

,Keratan rentas membujur solenoid dengan arus elektrik yang berterusan melaluinya. Garis medan magnet ditunjukkan, dengan arahnya ditunjukkan oleh anak panah. Fluks magnet sepadan dengan 'ketumpatan garis medan'. Oleh itu, fluks magnet adalah paling tumpat di tengah-tengah solenoid, dan paling lemah di luarnya.

Hukum aruhan Faraday menggunakan fluks magnet Φ _B melalui kawasan ruang yang dikelilingi oleh gelung dawai. Fluks magnet ditakrifkan oleh kamiran permukaan :

$\Phi _{\mathrm {B} }=\int \limits _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \,$

di mana dA ialah unsur permukaan Σ yang tertutup oleh gelung dawai, B ialah medan magnet. Produk titik B· dA sepadan dengan jumlah yang fluks magnet yang sangat kecil. Dalam istilah yang lebih visual, fluks magnet melalui gelung dawai adalah berkadar dengan nombor garisan menda magnet yang melalui gelung.

Apabila fluks melalui permukaan berubah, hukum aruhan Faraday mengatakan bahawa gelung wayar memperoleh daya gerak elektrik (EMF). Versi undang-undang ini yang paling meluas menyatakan bahawa daya gerak elektrik teraruh dalam mana-mana litar tertutup adalah sama dengan kadar perubahan fluks magnet yang dikelilingi oleh litar:

${\mathcal {E}}=-{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}\$ ,

di mana ${\mathcal {E}}$ ialah EMF dan Φ _B ialah fluks magnet . Arah daya gerak elektrik diberikan oleh hukum Lenz yang menyatakan bahawa arus teraruh akan mengalir ke arah yang akan menentang perubahan yang menghasilkannya. Ini disebabkan oleh tanda negatif dalam persamaan sebelumnya. Untuk meningkatkan EMF yang dijana, pendekatan biasa adalah untuk mengeksploitasi kaitan fluks dengan mencipta gegelung dawai yang dililit rapat, terdiri daripada N lilitan yang sama, setiap satu dengan fluks magnet yang sama melaluinya. EMF yang terhasil kemudiannya N kali ganda daripada satu wayar tunggal.

${\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{\mathrm {B} }} \over dt}$

Menjana EMF melalui variasi fluks magnet melalui permukaan gelung dawai boleh dicapai dalam beberapa cara:

1. medan magnet B berubah (cth medan magnet berselang-seli, atau menggerakkan gelung wayar ke arah magnet bar di mana medan B lebih kuat),
2. gelung wayar berubah bentuk dan permukaan Σ berubah,
3. orientasi permukaan dA berubah (cth memutarkan gelung dawai ke medan magnet tetap),
4. sebarang kombinasi di atas

Secara umum, hubungan antara EMF ${\mathcal {E}}$ dalam gelung dawai yang mengelilingi permukaan Σ, dan medan elektrik E dalam dawai diberikan oleh

${\mathcal {E}}=\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}$

dengan d ℓ ialah unsur garisan luar permukaan Σ, menggabungkan ini dengan takrifan fluks

$\Phi _{\mathrm {B} }=\int \limits _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \,$

kita boleh menulis bentuk kamiran persamaan Maxwell–Faraday

$\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d}{dt}}{\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} }$

Ia adalah salah satu daripada empat persamaan Maxwell, dan oleh itu memainkan peranan asas dalam teori elektromagnetisme klasik .

Hukum dan relativiti Faraday

Hukum Faraday menerangkan dua fenomena berbeza: EMF pergerakan yang dihasilkan oleh daya magnet pada dawai yang bergerak (lihat daya Lorentz ), dan EMF pengubah ini dijana oleh daya elektrik disebabkan oleh medan magnet yang berubah (disebabkan oleh bentuk pembezaan Persamaan Maxwell–Faraday ). James Clerk Maxwell menarik perhatian kepada fenomena fizikal yang berasingan pada tahun 1861. Ini dipercayai sebagai contoh unik dalam fizik di mana undang-undang asas sedemikian digunakan untuk menerangkan dua fenomena berbeza tersebut.

Albert Einstein menyedari bahawa kedua-dua situasi itu sepadan dengan pergerakan relatif antara konduktor dan magnet, dan hasilnya tidak dipengaruhi oleh mana satu bergerak. Ini adalah salah satu jalan utama yang membawanya mengembangkan relativiti khas .

Aplikasi

Prinsip aruhan elektromagnet digunakan dalam banyak peranti dan sistem, termasuk: Pengapit semasa arus, Penjana elektrik, Pembentuk elektromagnet , Tablet grafik, Pemasakan aruhan, Motor aruhan, Kimpalan aruhan, Cas aruhan, Pearuh, Meter aliran, Lampu suluh dikuasai mekanik, Komunikasi medan dekat, Cincin Rowland, Pengubah, dan Pemindahan tenaga tanpa dawai

Penjana elektrik

Gelung dawai segi empat tepat berputar pada halaju sudut ω dalam jejari ke arah luar medan magnet B dengan magnitud tetap. Litar ini dilengkapkan dengan berus yang membuat sentuhan gelongsor dengan cakera atas dan bawah, yang mempunyai rim pengalir. Ini ialah versi ringkas penjana dram .

EMF yang dijana oleh hukum aruhan Faraday disebabkan oleh pergerakan relatif litar dan medan magnet adalah fenomena yang mendasari penjana elektrik . Apabila magnet kekal digerakkan secara relatif kepada konduktor, atau sebaliknya, daya gerak elektrik tercipta. Jika wayar disambungkan melalui beban elektrik, arus akan mengalir, dan dengan itu tenaga elektrik dijana, menukar tenaga mekanikal gerakan kepada tenaga elektrik. Sebagai contoh, penjana dram adalah berdasarkan rajah di sebelah kanan bawah. Pelaksanaan berbeza bagi idea ini ialah cakera Faraday, ditunjukkan dalam bentuk ringkas di sebelah kanan.

Dalam contoh cakera Faraday, cakera diputar dalam medan magnet seragam berserenjang dengan cakera, menyebabkan arus mengalir dalam lengan jejari disebabkan oleh daya Lorentz. Kerja mekanikal adalah perlu untuk memacu arus ini. Apabila arus yang dijana mengalir melalui rim pengalir, medan magnet dijana oleh arus ini melalui undang-undang litar Ampère (dilabelkan "B teraruh" dalam rajah). Oleh itu, rim menjadi elektromagnet yang menentang putaran cakera (contoh undang-undang Lenz ). Di sebelah jauh rajah, arus balik mengalir dari lengan berputar melalui bahagian jauh rim ke berus bawah. Medan B yang disebabkan oleh arus balik ini menentang medan B yang digunakan, cenderung untuk mengurangkan fluks melalui sisi litar itu, menentang peningkatan fluks akibat putaran. Pada bahagian dekat rajah, arus balik mengalir dari lengan berputar melalui bahagian dekat rim ke berus bawah. Medan B teraruh meningkatkan fluks pada sisi litar ini, menentang penurunan fluks disebabkan oleh putaran. Tenaga yang diperlukan untuk memastikan cakera bergerak, walaupun daya reaktif ini, adalah sama persis dengan tenaga elektrik yang dijana (ditambah tenaga terbuang akibat geseran, pemanasan Joule dan ketidakcekapan lain). Tingkah laku ini adalah biasa kepada semua penjana yang menukar tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik.

Pengubah elektrik

Pengapit semasa

Pengapit arus ialah sejenis pengubah dengan teras berpecah yang boleh dihamparkan dan digunting pada wayar atau gegelung sama ada untuk mengukur arus di dalamnya atau, secara terbalik, untuk mendorong voltan. Tidak seperti surat cara konvensional, pengapit tidak membuat sentuhan elektrik dengan konduktor atau memerlukannya untuk diputuskan sambungan semasa pemasangan pengapit.

Meter aliran magnetik

Hukum Faraday digunakan untuk mengukur aliran cecair pengalir elektrik dan buburan. Surat cara sedemikian dipanggil meter aliran magnetik. Voltan teraruh ε yang dijana dalam medan magnet B disebabkan oleh cecair konduktif yang bergerak pada halaju v diberikan oleh:

${\mathcal {E}}=-B\ell v,$

di mana ℓ ialah jarak antara elektrod dalam meter aliran magnet.

Arus pusar

Pengalir elektrik yang bergerak melalui medan magnet yang stabil, atau pengalir pegun dalam medan magnet yang berubah-ubah, akan mempunyai arus bulat yang diaruhkan di dalamnya melalui aruhan, dipanggil arus pusar . Arus pusar mengalir dalam gelung tertutup dalam satah berserenjang dengan medan magnet. Mereka mempunyai aplikasi berguna dalam brek arus pusar dan sistem pemanasan aruhan. Walau bagaimanapun, arus pusar yang teraruh dalam teras magnet logam pengubah dan motor AC dan penjana adalah tidak diingini kerana ia menghilangkan tenaga (dipanggil kehilangan teras ) sebagai haba dalam rintangan logam. Teras untuk peranti ini menggunakan beberapa kaedah untuk mengurangkan arus pusar:

• Teras elektromagnet arus ulang-alik frekuensi rendah dan pengubah, bukannya logam pepejal, selalunya diperbuat daripada timbunan kepingan logam, dipanggil laminasi, dipisahkan oleh salutan tidak konduktif. Plat nipis ini mengurangkan arus pusaran parasit yang tidak diingini, seperti yang diterangkan di bawah.
• Induktor dan transformer yang digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi selalunya mempunyai teras magnet yang diperbuat daripada bahan magnet tidak konduktif seperti serbuk ferit atau besi yang dipegang bersama pengikat damar.

Arus pusar berlaku apabila jisim logam pepejal diputarkan dalam medan magnet, kerana bahagian luar logam memotong lebih banyak garis daya magnet daripada bahagian dalam; maka daya gerak elektrik teraruh tidak seragam; ini cenderung menyebabkan arus elektrik di antara titik-titik potensi terbesar dan paling kecil. Arus pusar menggunakan sejumlah besar tenaga dan selalunya menyebabkan kenaikan suhu yang berbahaya.

Hanya lima laminasi atau plat ditunjukkan dalam contoh ini, supaya menunjukkan pembahagian arus pusar. Dalam penggunaan praktikal, bilangan laminasi atau tebukan berjulat dari 40 hingga 66 setiap inci (16 hingga 26 peratus), dan mengurangkan kehilangan arus pusar kepada kira-kira satu peratus. Walaupun plat boleh dipisahkan dengan penebat, voltan adalah sangat rendah sehingga lapisan karat/oksida semulajadi plat cukup untuk menghalang aliran arus merentasi laminasi.

Ini ialah rotor kira-kira 20 mm diameter daripada motor DC yang digunakan dalam pemain CD. Perhatikan laminasi kepingan tiang elektromagnet, digunakan untuk menghadkan kehilangan induktif parasit.

Dalam gambaran ini, konduktor bar kuprum pepejal pada angker berputar hanya melalui di bawah hujung bahagian kutub N magnet medan. Perhatikan taburan garis-garis daya yang tidak sekata merentasi bar kuprum. Medan magnet lebih tertumpu dan dengan itu lebih kuat pada pinggir kiri bar kuprum (a,b) manakala medan lebih lemah pada pinggir kanan (c,d). Oleh kerana kedua-dua tepi bar bergerak dengan halaju yang sama, perbezaan dalam kekuatan medan merentas bar ini mewujudkan lingkaran atau pusaran semasa dalam bar kuprum.

Peranti frekuensi kuasa arus tinggi, seperti motor elektrik, penjana dan pengubah, menggunakan berbilang pengalir kecil secara selari untuk memecahkan aliran pusar yang boleh terbentuk dalam pengalir pepejal yang besar. Prinsip yang sama digunakan untuk pengubah yang digunakan pada frekuensi kuasa yang lebih tinggi, contohnya, yang digunakan dalam bekalan kuasa mod suis dan pengubah gandingan frekuensi pertengahan penerima radio.