Praktická aplikace Faradayova zákona elektromagnetické indukce

Slovo "indukce" v ruštině znamená procesy excitace, směru, vytvoření něčeho. V elektrotechnice se tento termín používá již více než dvě století.

Po přečtení publikací z roku 1821 popisujících experimenty dánského vědce Oersteda na výchylkách magnetické střelky v blízkosti vodiče přenášejícího elektrický proud si Michael Faraday stanovil úkol: přeměnit magnetismus na elektřinu.

Po 10 letech výzkumu formuloval základní zákon elektromagnetické indukce a vysvětlil, že elektromotorická síla se indukuje v jakékoli uzavřené smyčce. Jeho hodnota je určena rychlostí změny magnetického toku pronikajícího do uvažované smyčky, ale bere se se znaménkem mínus.

Přenos elektromagnetických vln na dálku

První odhad, který přišel na mysl vědce, nebyl korunován praktickým úspěchem.

Položil dva uzavřené dráty vedle sebe.U jednoho jsem nainstaloval magnetickou jehlu jako indikátor procházejícího proudu a do druhého drátu jsem dal impuls z tehdejšího výkonného galvanického zdroje: voltového sloupu.

Výzkumník předpokládal, že s proudovým impulsem v prvním obvodu, měnící se magnetické pole v něm indukuje proud ve druhém drátu, který by vychýlil magnetickou střelku. Výsledek se však ukázal jako negativní - indikátor nefunguje. Spíše mu chyběla citlivost.

Mozek vědce předvídá vytváření a přenos elektromagnetických vln na dálku, které se dnes používají v rozhlasovém vysílání, televizi, bezdrátovém ovládání, technologiích Wi-Fi a podobných zařízeních. Prostě ho frustrovala nedokonalá elementární základna tehdejších měřících přístrojů.

Výroba elektřiny

Po špatném experimentu změnil Michael Faraday podmínky experimentu.

Pro experiment Faraday použil dvě cívky s uzavřenou smyčkou. V prvním okruhu napájel elektrický proud ze zdroje a ve druhém pozoroval výskyt EMF. Proud procházející závity cívky #1 vytváří kolem cívky magnetický tok, proniká cívkou #2 a vytváří v ní elektromotorickou sílu.

Během Faradayova experimentu:

• zapněte impuls pro napájení obvodu se stacionárními cívkami;
• když byl aplikován proud, zavedl horní cívku do spodní cívky;
• fixoval cívku č. 1 trvale a do ní zaváděl cívku č. 2;
• změnila rychlost pohybu cívek vůči sobě navzájem.

Ve všech těchto případech pozoroval projev indukce EMF ve druhé cívce. A protože vinutím č. 1 a stacionárními cívkami procházel pouze stejnosměrný proud, nevznikla žádná elektromotorická síla.

Vědec zjistil, že EMF indukované ve druhé cívce závisí na rychlosti, kterou se mění magnetický tok. Je úměrná jeho velikosti.

Stejný vzorec se plně projeví při průjezdu uzavřené smyčky magnetické siločáry permanentního magnetu. Pod vlivem EMF se v drátu generuje elektrický proud.

Magnetický tok se v uvažovaném případě mění ve smyčce Sk vytvořené uzavřeným obvodem.

Vývoj vytvořený Faradayem tedy umožnil umístit rotující vodivý rám do magnetického pole.

Poté byla vyrobena z velkého počtu závitů upevněných v rotačních ložiskách, na koncích cívky byly instalovány sběrací kroužky a po nich klouzající kartáče a přes svorky pouzdra byla připojena zátěž. Výsledkem je moderní alternátor.

Jeho jednodušší konstrukce vzniká, když je cívka upevněna na stacionárním pouzdře a magnetický systém se začíná otáčet. V tomto případě je způsob generování proudů způsoben elektromagnetická indukce nebyl nijak porušen.

Princip činnosti elektromotorů

Zákon elektromagnetické indukce, jehož průkopníkem byl Michael Faraday, umožňuje různé konstrukce elektromotorů. Mají podobnou strukturu jako generátory: pohyblivý rotor a stator, které na sebe vzájemně působí díky rotujícím elektromagnetickým polím.

Elektrický proud prochází pouze statorovým vinutím elektromotoru. Indukuje magnetický tok, který ovlivňuje magnetické pole rotoru. V důsledku toho vznikají síly, které otáčejí hřídelem motoru. Viz toto téma — Princip činnosti a zařízení elektromotoru

Transformace elektřiny

Michael Faraday určil vzhled indukované elektromotorické síly a indukovaného proudu v blízké cívce, když se magnetické pole v sousední cívce změnilo.

Proud v blízké cívce se indukuje při zapnutí spínacího obvodu v cívce 1 a je vždy přítomen během provozu generátoru na cívce 3.

Na této vlastnosti, tzv. vzájemné indukci, je založen provoz všech moderních transformátorových zařízení.

Pro zlepšení průchodu magnetického toku mají izolovaná vinutí umístěná na společném jádru s minimálním magnetickým odporem. Je vyrobena ze speciálních druhů oceli a je tvořena naskládáním tenkých plechů do tvaru sekcí určitého tvaru, nazývaných magnetické jádro.

Transformátory v důsledku vzájemné indukce přenášejí energii střídavého elektromagnetického pole z jedné cívky na druhou, dochází tak ke změně, transformaci hodnoty napětí na jejích vstupních a výstupních svorkách.

Poměr počtu závitů vinutí určuje transformační koeficient a tloušťku drátu, konstrukci a objem materiálu jádra — hodnotu přenášeného výkonu, provozní proud.

Provoz induktorů

Projev elektromagnetické indukce je v cívce pozorován při změně hodnoty proudu v ní procházejícího. Tento proces se nazývá samoindukce.

Při sepnutí spínače ve výše uvedeném schématu mění indukovaný proud charakter lineárního nárůstu pracovního proudu v obvodu i při vypínání.

Když na drát navinutý v cívce není přivedeno konstantní, ale střídavé napětí, protéká jím hodnota proudu snížená o indukční odpor.Samoindukční energie fázově posouvá proud vzhledem k použitému napětí.

Tento jev se používá u tlumivek, které jsou navrženy tak, aby snižovaly velké proudy, které se vyskytují za určitých provozních podmínek. Zejména se používají taková zařízení v okruhu pro rozsvícení zářivek.

Charakteristickým rysem konstrukce magnetického obvodu tlumivky je výřez desek, který je vytvořen pro další zvýšení magnetické odolnosti vůči magnetickému toku v důsledku vytvoření vzduchové mezery.

Tlumivky s dělenou a nastavitelnou polohou magnetického obvodu se používají v mnoha rádiových a elektrických zařízeních. Poměrně často je lze nalézt v konstrukci svařovacích transformátorů. Snižují velikost elektrického oblouku procházejícího elektrodou na optimální hodnotu.

Indukční trouby

Fenomén elektromagnetické indukce se projevuje nejen u drátů a cívek, ale i uvnitř jakýchkoliv masivních kovových předmětů. Proudy v nich indukované se obvykle nazývají vířivé proudy, při provozu transformátorů a tlumivek způsobují zahřívání magnetického obvodu a celé konstrukce.

Aby se tomuto jevu zabránilo, jsou jádra vyrobena z tenkých plechů a izolována vrstvou laku, který zabraňuje průchodu indukovaných proudů.

V otopných konstrukcích vířivé proudy neomezují, ale vytvářejí nejpříznivější podmínky pro jejich průchod. Indukční trouby jsou široce používány v průmyslové výrobě k vytvoření vysokých teplot.

Elektrotechnická měřicí zařízení

Velká třída indukčních zařízení nadále funguje v elektřině.Elektroměry s otočným hliníkovým kotoučem podobné konstrukci výkonového relé, tlumicí číselníkové systémy, pracují na principu elektromagnetické indukce.

Plynové magnetické generátory

Pokud se místo uzavřeného rámu pohybuje vodivý plyn, kapalina nebo plazma v poli magnetu, pak se náboje elektřiny pod působením magnetických siločar začnou odchylovat v přesně definovaných směrech a vytvoří elektrický proud. Jeho magnetické pole na namontovaných elektrodových kontaktních deskách indukuje elektromotorickou sílu. Jeho působením vzniká v obvodu připojeném ke generátoru MHD elektrický proud.

U generátorů MHD se tedy projevuje zákon elektromagnetické indukce.

Nejsou zde žádné složité rotující části jako rotor. To zjednodušuje konstrukci, umožňuje výrazně zvýšit teplotu pracovního prostředí a zároveň efektivitu výroby elektrické energie. Generátory MHD fungují jako záložní nebo nouzové zdroje schopné krátkodobě generovat významné toky elektřiny.

Zákon elektromagnetické indukce, doložený kdysi Michaelem Faradayem, je tedy i dnes aktuální.