Indutores e campos magnéticos. Parte 2. Indução e indutância eletromagnética

A primeira parte do artigo: Indutores e campos magnéticos

A relação dos campos elétrico e magnético

Os fenômenos elétricos e magnéticos são estudados há muito tempo, mas nunca ocorreu a alguém de alguma forma relacionar esses estudos entre si. E somente em 1820 foi descoberto que um condutor atual atua na agulha da bússola. Essa descoberta foi do físico dinamarquês Hans Christian Oersted. Posteriormente, a unidade de medida da força do campo magnético no sistema GHS recebeu seu nome: a designação russa E (Oersted), a designação inglesa Oe. O campo magnético tem essa intensidade no vácuo durante a indução de 1 Gauss.

Essa descoberta sugeriu que um campo magnético poderia ser obtido a partir de uma corrente elétrica. Mas, ao mesmo tempo, surgiram pensamentos sobre a transformação inversa, a saber, como obter uma corrente elétrica de um campo magnético. De fato, muitos processos na natureza são reversíveis: o gelo é obtido da água, que pode ser novamente derretido na água.

Após a descoberta de Oersted, o estudo dessa lei agora óbvia da física levou até vinte e dois anos. O cientista inglês Michael Faraday estava envolvido na obtenção de eletricidade a partir de um campo magnético. Condutores e ímãs de várias formas e tamanhos foram feitos, e foram procuradas opções para seu arranjo mútuo. E apenas, aparentemente, por acaso, o cientista descobriu que, para obter CEM nas extremidades do condutor, é necessário mais um termo - o movimento do ímã, ou seja, o campo magnético deve ser variável.

Agora isso não surpreende ninguém. É assim que todos os geradores elétricos funcionam - enquanto ele está sendo girado com alguma coisa, a eletricidade é gerada, uma lâmpada brilha. Parou, parou de girar e a luz se apagou.

Indução eletromagnética

Assim, a EMF nas extremidades do condutor ocorre apenas se for movida de certa maneira em um campo magnético. Ou, mais precisamente, o campo magnético deve necessariamente mudar, ser variável. Esse fenômeno é chamado indução eletromagnética, na orientação eletromagnética russa: nesse caso, eles dizem que a CEM é induzida no condutor. Se uma carga estiver conectada a uma fonte EMF, uma corrente fluirá no circuito.

A magnitude da EMF induzida depende de vários fatores: o comprimento do condutor, a indução do campo magnético B e, em grande medida, a velocidade de movimento do condutor no campo magnético. Quanto mais rápido o rotor do gerador for girado, maior será a tensão na sua saída.

Nota: a indução eletromagnética (a ocorrência de CEM nas extremidades de um condutor em um campo magnético alternado) não deve ser confundida com a indução magnética - uma quantidade física vetorial que caracteriza o campo magnético real.

Três maneiras de obter EMF

Indução

Este método foi considerado. na primeira parte do artigo. É suficiente mover o condutor no campo magnético do ímã permanente, ou vice-versa, para mover (quase sempre por rotação) o ímã perto do condutor. Ambas as opções definitivamente permitirão que você obtenha um campo magnético alternado. Nesse caso, o método de obtenção de EMF é chamado de indução. É a indução usada para obter EMF em vários geradores. Nos experimentos de Faraday em 1831, o ímã se moveu progressivamente dentro da bobina de arame.

Indução mútua

Esse nome sugere que dois condutores participem desse fenômeno. Em um deles, uma corrente variável muda, o que cria um campo magnético alternado ao seu redor. Se houver outro condutor por perto, nas extremidades haverá um EMF variável.

Este método de obtenção de CEM é chamado indução mútua.É no princípio da indução mútua que todos os transformadores funcionam, apenas seus condutores são feitos na forma de bobinas, e núcleos feitos de materiais ferromagnéticos são usados ​​para aumentar a indução magnética.

Se a corrente no primeiro condutor parar (circuito aberto), ou mesmo se tornar muito forte, mas constante (não houver alterações), nas extremidades do segundo condutor, nenhum EMF poderá ser obtido. É por isso que os transformadores operam apenas com corrente alternada: se uma bateria galvânica estiver conectada ao enrolamento primário, definitivamente não haverá tensão na saída do enrolamento secundário.

A EMF no enrolamento secundário é induzida apenas quando o campo magnético muda. Além disso, quanto maior a taxa de mudança, ou seja, a velocidade, e não o valor absoluto, maior a CEM induzida.

Auto indução

Se você remover o segundo condutor, o campo magnético no primeiro condutor irá permear não apenas o espaço circundante, mas também o próprio condutor. Assim, sob a influência de seu campo na CEM induzida pelo condutor, que é chamada de CEM da auto-indução.

Os fenômenos da auto-indução em 1833 foram estudados pelo cientista russo Lenz. Com base nessas experiências, foi encontrado um padrão interessante: a EMF de auto-indução sempre neutraliza, compensa o campo magnético externo alternado que causa essa EMF. Essa dependência é chamada de regra de Lenz (não deve ser confundida com a lei de Joule-Lenz).

O sinal de menos na fórmula fala apenas em neutralizar o CEM da auto-indução por suas causas. Se a bobina estiver conectada a uma fonte de corrente direta, a corrente aumentará muito lentamente. Isso é muito perceptível quando o enrolamento primário do transformador é "discado" com um ohmímetro indicador: a velocidade da seta na direção da divisão de escala zero é visivelmente mais baixa do que na verificação de resistores.

Quando a bobina é desconectada da fonte atual, o EMF de auto-indução causa faíscas nos contatos do relé. No caso em que a bobina é controlada por um transistor, por exemplo, uma bobina de relé, um diodo é colocado paralelamente a ele na direção oposta em relação à fonte de energia. Isso é feito para proteger os elementos semicondutores da influência da autoindução de CEM, que pode dezenas ou até centenas de vezes mais que a tensão da fonte de energia.

Para conduzir experimentos, Lenz construiu um dispositivo interessante. Dois anéis de alumínio são fixados nas extremidades do balancim de alumínio. Um anel é sólido e o outro foi cortado. O agitador gira livremente na agulha.

Quando um ímã permanente foi introduzido em um anel sólido, ele "escapou" do ímã e, quando o ímã foi removido, procurou por ele. As mesmas ações com o anel de corte não causaram nenhum movimento. Isso se deve ao fato de que em um anel contínuo sob a influência de um campo magnético alternado, surge uma corrente que cria um campo magnético. Mas no anel aberto não há corrente; portanto, também não há campo magnético.

Um detalhe importante desse experimento é que, se um ímã é inserido no anel e permanece estacionário, nenhuma reação do anel de alumínio à presença do ímã é observada. Isso confirma mais uma vez que a EMF de indução ocorre apenas em caso de alteração no campo magnético, e a magnitude da EMF depende da taxa de alteração. Neste caso, simplesmente a partir da velocidade de movimento do ímã.

O mesmo pode ser dito sobre a indução mútua e a auto-indução, apenas uma mudança na força do campo magnético, mais precisamente, sua taxa de variação depende da taxa de variação da corrente. Para ilustrar esse fenômeno, podemos dar um exemplo.

Permita que grandes correntes passem através de duas bobinas idênticas suficientemente grandes: pela primeira bobina 10A e pela segunda até 1000, com as correntes aumentando linearmente em ambas as bobinas. Suponha que em um segundo a corrente na primeira bobina tenha mudado de 10 para 15A e no segundo de 1000 para 1001A, o que causou o aparecimento de CEM de auto-indução em ambas as bobinas.

Mas, apesar de um valor tão grande da corrente na segunda bobina, a EMF de auto-indução será maior na primeira, uma vez que a taxa de mudança de corrente é de 5A / s, e na segunda é de apenas 1A / s. De fato, o CEM da auto-indução depende da taxa de aumento da corrente (leia o campo magnético), e não do seu valor absoluto.

Indutância

As propriedades magnéticas da bobina com corrente dependem do número de voltas, das dimensões geométricas. Um aumento significativo no campo magnético pode ser alcançado através da introdução de um núcleo ferromagnético na bobina. As propriedades magnéticas da bobina podem ser julgadas com precisão suficiente pela magnitude do CEM de indução, indução mútua ou auto-indução. Todos esses fenômenos foram considerados acima.

A característica da bobina, que fala sobre isso, é chamada de coeficiente de indutância (auto-indução) ou simplesmente indutância. Nas fórmulas, a indutância é indicada pela letra L e, nos diagramas, a mesma letra indica as bobinas de indutância.

A unidade de indutância é Henry (GN). A indutância 1H tem uma bobina na qual, quando a corrente muda em 1A por segundo, é gerado um EMF de 1V. Esse valor é bastante grande: os enrolamentos de rede de transformadores suficientemente potentes têm uma indutância de um ou mais GN.

Portanto, muitas vezes eles usam valores de uma ordem menor, a saber, mili e microgeração (mH e μH). Tais bobinas são usadas em circuitos eletrônicos. Uma das aplicações das bobinas são os circuitos oscilatórios em dispositivos de rádio.

Além disso, as bobinas são usadas como bobinas, cujo objetivo principal é pular a corrente contínua sem perda e enfraquecer a corrente alternada (filtros em fontes de alimentação) Geralmente, quanto maior a frequência de operação, menos bobinas de indutância são necessárias.

Indutância

Se você usar um transformador de rede suficientemente poderoso e medir com um multímetro resistência do enrolamento primário, verifica-se que são apenas alguns ohms e até perto de zero. Acontece que a corrente através desse enrolamento será muito grande e até tenderá ao infinito. Um curto-circuito parece ser inevitável! Então, por que ele não é?

Uma das principais propriedades dos indutores é a resistência indutiva, que depende da indutância e da frequência da corrente alternada conectada à bobina.

É fácil ver que, com um aumento na frequência e na indutância, a resistência indutiva aumenta e, em corrente contínua, geralmente se torna igual a zero. Portanto, ao medir a resistência das bobinas com um multímetro, apenas a resistência ativa do fio é medida.

O design dos indutores é muito diversificado e depende das frequências nas quais a bobina opera. Por exemplo, para trabalhos na faixa de decímetros de ondas de rádio, bobinas feitas por fiação impressa são usadas com bastante frequência. Na produção em massa, esse método é muito conveniente.

A indutância de uma bobina depende de suas dimensões geométricas, núcleo, número de camadas e forma. Atualmente, um número suficiente de indutores padrão é produzido, semelhante aos resistores convencionais com fios. A marcação dessas bobinas é realizada com anéis coloridos. Também existem bobinas de montagem em superfície usadas como bobinas. A indutância de tais bobinas é de vários miligenes.