Elektromagnetische Induktion: Formel und Einheiten, Funktionsweise und Beispiele
Elektromagnetische Induktion ist definiert als die Induktion einer elektromotorischen Kraft (Spannung) in einem nahe gelegenen Medium oder Körper aufgrund des Vorhandenseins eines variablen Magnetfelds. Dieses Phänomen wurde vom britischen Physiker und Chemiker Michael Faraday im Laufe des Jahres 1831 durch das Gesetz der elektromagnetischen Induktion von Faraday entdeckt.
Faraday führte experimentelle Tests mit einem Permanentmagneten durch, der von einer Drahtspule umgeben war, und beobachtete die Induktion einer Spannung an dieser Spule und die Zirkulation eines darunter liegenden Stroms.
Dieses Gesetz gibt an, dass die an einer geschlossenen Schleife induzierte Spannung in Bezug auf die Zeit direkt proportional zur Änderungsrate des Magnetflusses beim Überqueren einer Oberfläche ist. Somit ist es möglich, das Vorhandensein einer Spannungsdifferenz (Spannung) an einem benachbarten Körper aufgrund des Einflusses variabler Magnetfelder zu induzieren.
Diese induzierte Spannung führt wiederum zur Zirkulation eines Stroms, der der induzierten Spannung und der Impedanz des zu analysierenden Objekts entspricht. Dieses Phänomen ist das Wirkprinzip von Stromversorgungssystemen und Geräten des täglichen Gebrauchs wie Motoren, Generatoren und elektrischen Transformatoren, Induktionsöfen, Induktoren, Batterien usw.
Formel und Einheiten
Die von Faraday beobachtete elektromagnetische Induktion wurde der Welt der Wissenschaft durch mathematische Modellierung mitgeteilt, die es ermöglicht, diese Art von Phänomenen zu replizieren und ihr Verhalten vorherzusagen.
Formula
Um die elektrischen Parameter (Spannung, Strom) zu berechnen, die mit dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion verbunden sind, müssen wir zunächst den Wert der magnetischen Induktion definieren, der derzeit als Magnetfeld bezeichnet wird.
Um zu wissen, wie groß der magnetische Fluss ist, der eine bestimmte Oberfläche durchquert, muss das Produkt der magnetischen Induktion anhand dieser Fläche berechnet werden. Also:
Wo:
Φ: magnetischer Fluss [Wb]
B: Magnetische Induktion [T]
S: Oberfläche [m2]
Das Gesetz von Faraday gibt an, dass die elektromotorische Kraft, die auf umgebende Körper induziert wird, durch die Änderungsrate des Magnetflusses in Bezug auf die Zeit gegeben ist, wie nachstehend beschrieben:
Wo:
ε: Elektromotorische Kraft [V]
Wenn der Wert des magnetischen Flusses im vorherigen Ausdruck ersetzt wird, haben wir Folgendes:
Wenn auf beiden Seiten der Gleichung Integrale angewendet werden, um eine endliche Trajektorie für die mit dem Magnetfluss verbundene Fläche abzugrenzen, wird eine genauere Approximation der erforderlichen Berechnung erhalten.
Darüber hinaus ist auf diese Weise auch die Berechnung der elektromotorischen Kraft im geschlossenen Kreislauf begrenzt. Wenn Sie also die Integration in beide Glieder der Gleichung anwenden, erhalten Sie Folgendes:
Maßeinheit
Die magnetische Induktion wird im Internationalen Einheitensystem (SI) in Teslas gemessen. Diese Maßeinheit wird durch den Buchstaben T dargestellt und entspricht der Menge der folgenden Grundeinheiten.
Ein Tesla entspricht der magnetischen Induktion mit einheitlichem Charakter, die auf einer Fläche von einem Quadratmeter einen magnetischen Fluss von 1 Weber erzeugt.
Nach dem Cegesimalen Einheitensystem (CGS) ist die Maßeinheit für die magnetische Induktion Gauß. Die Äquivalenzbeziehung zwischen beiden Einheiten ist wie folgt:
1 Tesla = 10 000 Gauss
Die Maßeinheit für die magnetische Induktion verdankt ihren Namen dem Ingenieur, Physiker und Erfinder Nikola Tesla aus Serbokroatien. Es wurde auf diese Weise Mitte des Jahres 1960 benannt.
Wie funktioniert es
Es wird Induktion genannt, weil es keine physikalische Verbindung zwischen dem primären und dem sekundären Element gibt. folglich geschieht alles über indirekte und immaterielle verbindungen.
Das Phänomen der elektromagnetischen Induktion tritt auf, wenn die Kraftlinien eines variablen Magnetfelds auf die freien Elektronen eines nahegelegenen leitenden Elements einwirken.
Dazu muss das Objekt oder die Mittel, an denen die Induktion auftritt, senkrecht zu den Kraftlinien des Magnetfeldes angeordnet sein. Auf diese Weise ist die auf die freien Elektronen ausgeübte Kraft größer und folglich ist die elektromagnetische Induktion viel stärker.
Die Zirkulationsrichtung des induzierten Stroms ist wiederum durch die Richtung gegeben, die durch die Kraftlinien des variablen Magnetfelds gegeben ist.
Andererseits gibt es drei Methoden, mit denen der Fluss des Magnetfelds variiert werden kann, um eine elektromotorische Kraft auf einen Körper oder ein nahe gelegenes Objekt zu induzieren:
1- Ändern Sie das Magnetfeldmodul, indem Sie die Intensität des Durchflusses variieren.
2- Ändern Sie den Winkel zwischen dem Magnetfeld und der Oberfläche.
3- Ändern Sie die Größe der inhärenten Oberfläche.
Sobald ein Magnetfeld geändert wurde, wird im benachbarten Objekt eine elektromotorische Kraft induziert, die abhängig vom Widerstand des Stromflusses (Impedanz) einen induzierten Strom erzeugt.
In dieser Reihenfolge ist der Anteil dieses induzierten Stroms abhängig von der physikalischen Konfiguration des Systems größer oder kleiner als der Primärstrom.
Beispiele
Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion ist die Grundlage für den Betrieb elektrischer Spannungswandler.
Das Übersetzungsverhältnis eines Spannungswandlers (Reduzierer oder Aufzug) ergibt sich aus der Anzahl der Wicklungen, die jede Wicklung des Transformators aufweist.
Abhängig von der Anzahl der Spulen kann die Spannung in der Sekundärwicklung je nach Anwendung im Verbundnetz höher (Aufwärtstransformator) oder niedriger (Abwärtstransformator) sein.
In ähnlicher Weise arbeiten auch die Stromerzeugungsturbinen in den Wasserkraftwerken dank elektromagnetischer Induktion.
In diesem Fall bewegen die Schaufeln der Turbine die Drehachse, die sich zwischen Turbine und Generator befindet. Dies führt dann zur Mobilisierung des Rotors.
Der Rotor besteht wiederum aus einer Reihe von Wicklungen, die in Bewegung ein variables Magnetfeld erzeugen.
Letztere induziert im Stator des Generators eine elektromotorische Kraft, die mit einem System verbunden ist, mit dem die während des Prozesses erzeugte Energie online transportiert werden kann.
Anhand der beiden vorbelichteten Beispiele lässt sich nachweisen, wie die elektromagnetische Induktion in elementaren Anwendungen des Alltags einen Teil unseres Lebens ausmacht.
