33. Elektromagnetická indukce

Nestacionární magnetické pole Děje v nestacionárním magnetickém poli jsou vždy spojeny se vznikem nestacionárního elektrického pole. Jsou to děje elektromagnetické, při nichž nestacionární elektrické a magnetické pole jsou navzájem neoddělitelná a vytvářejí jediné pole elektromagnetické Nestacionární magnetické pole může způsobit: a) vodič, který se nepohybuje, ale mění se proud, který jím prochází b) pohybující se vodič s proudem (konstantním nebo proměnným) c) pohybující se permanentní magnet nebo elektromagnet

Magnetický indukční tok Φ Skalární veličina, jednotkou je weber (Wb) Uvažujeme rovinnou plochu o obsahu S, umístěnou v homogenním magnetickém poli, jehož magnetická indukce je B. Jestliže je plocha kolmá k magnetickým indukčním čarám (vektor B má směr normály plochy n), je magnetický indukční tok určen vztahem: Připojíme-li k cívce voltmetr a budeme-li pohybovat magnetem v blízkosti cívky, změříme na voltmetru indukované napětí. Napětí bude kladné nebo záporné podle směru, kterým pohybujeme magnetem.

 = B  S  cos  Úhel  svírá vektor mag. indukce s normálovým vektorem plochy S. V případě, že indukční čáry jsou s plochou rovnoběžné, pak je indukční tok nulový, protože  = /2 rad  cos  = 0 Pro děje v nestacionárním magnetickém poli jsou charakteristické změny indukčního toku. Ty mohou být způsobeny změnou B (změna velikosti proudu vodiče nebo změnou polohy vodiče či magnetu), S nebo  (rotace cívky nebo magnetu). Kvantitativně se uvažuje se změnou indukčního toku  za čas t

Elektromagnetická indukce Jev, ke kterému dochází v nestacionárním (nestálém, měnícím se) magnetickém poli. Toto magnetické pole v cívce vytváří indukované elektrické pole, které charakterizuje indukované elektromotorické napětí Když je k cívce připojen el. obvod, prochází jím indukovaný el. proud Magnetický indukční tok (tok magnetické indukce) slouží pro kvantitativní popis elektromagnetické indukce. Vyjadřuje úhrnný tok magnetické indukce procházející určitou plochou.

Faradayův zákon elektromagnetické indukce Určuje velikost indukovaného napětí ve vodiči Změní-li se magnetický indukční tok uzavřeným vodičem za dobu t o , indukuje se ve vodiči elektromotorické napětí, jehož střední hodnota je:

Lenzův zákon Určuje orientaci indukovaného proudu v uzavřeném vodiči (elektrickém obvodu) Indukovaný elektrický proud v uzavřeném obvodu má takový směr, že svým magnetickým polem působí proti změně magnetického indukčního toku, která je jeho příčinou. Ve formulaci Faradayova zákona je Lenzův zákon zahrnut ve znaménku –.

Vířivé proudy (Foucaultovy) L. J. Foucault – objevil vířivé proudy Proudy v plošných vodičích (desky, plechy, hranoly), které jsou v proměnném magnetickém poli, popř. se pohybují ve stacionárním mag. poli Představujeme si je v podobě miniaturních vírů = vířivé Přeměňují elektrickou energii na vnitřní energii vodiče a vodič se zahřívá Využití: při indukčním ohřevu Indukčních brzdách

Vlastní indukce Připojíme-li cívku do el. obvodu, začne proud, který jí prochází, vytvářet mag. pole. Proud při zapojení nemá hodnotu (kterou udává odpor cívky) okamžitě, ale roste až na tuto hodnotu udávanou odporem cívky. Když cívku zapojíme, mění se proud (roste), tím se mění mag. indukce cívky a mění se i mag. indukční tok. Podle Lenzova zákona se začne indukovat napětí, které působí proti změně, která ho vyvolala, tzn. působí proti připojenému zdroji. Když dosáhne proud hodnoty, kterou udává odpor, přestane se měnit. Tím se už nemění ani mag. indukční tok, takže indukované el. pole zaniká. Indukované elektrické pole vzniká ve vodiči i při změnách mag. pole, které vytváří proud procházející vlastním vodičem. Tento jev se nazývá vlastní indukce.

Indukčnost cívky L Veličina, která charakterizuje magnetické vlastnosti cívky. Její velikost závisí na vlastnostech cívky – na délce cívky, obsahu plochy každého závitu, na počtu závitů a na permeabilitě jádra. Indukčnost je důležitý parametr el. obvodu (spolu s odporem R a kapacitou C). [L] = H (henry) Pro cívku platí:

Energie magnetického pole cívky Má-li v cívce o indukčnosti L vzniknout proud I, je třeba vykonat práci k překonání elektromotorického napětí indukovaného vlivem vlastní indukce. Současně vzniká magnetické pole cívky. Jeho energie je rovna vykonané práci. - nemá-li cívka feromagnetické jádro:

Užití elektromagnetické indukce transformátor Zařízení,které umožní v el. síti snižovat, nebo zvyšovat elektrické napětí. Je založen na elektromagnetické indukci. Jednofázový transformátor tvoří ho 2 cívky (primární a sekundární) na společném ocelovém jádře z měkké oceli. Primární cívka (s počtem závitů) je spojena se zdrojem střídavého napětí a prochází jí střídavý proud . Na ní se indukuje proud a napětí se sčítají Na sekundární cívce s závity bude napětí Rovnice transformátoru: k je transformační poměr transformátoru (k>1, transformace nahoru, k<1 transformace dolů)

Dynamo točivý elektrický stroj, přeměňující mechanickou energii z rotoru hnacího stroje na elektrickou energii ve formě stejnosměrného elektrického proudu. Jedná se o stejnosměrný generátor elektrické energie. Dynamo se skládá ze statoru tvořeného magnetem nebo elektromagnetem a rotoru s vinutím a komutátorem. Až do nástupu polovodičových usměrňovačů bylo dynamo nejvýznamnějším zdrojem elektrické energie (ve formě stejnosměrného proudu) v průmyslu i dopravě. Dnes jsou dynama vytlačována spolehlivějšími a konstrukčně jednoduššími alternátory a zařízeními pro následné usměrnění vyrobeného střídavého proudu na proud stejnosměrný

Alternátor Alternátor tvoří stator (soustava cívek) a rotor (elektromagnet). je součástí mnoha dalších strojů a kvůli jednodušší konstrukci je používán i tam, kde před rozšířením polovodičových usměrňovačů kdysi sloužily stejnosměrné generátory - dynama přeměňují mechanickou energii z rotačního pohybu hnacího stroje na elektrickou energii ve formě střídavého proudu vyváděného do zařízení elektrického rozvodu. Spolu s primárním poháněcím strojem tvoří mechanicky spojené soustrojí. Pokud je hnacím strojem turbína v elektrárně, bývají oba stroje mechanicky spojeny na společném hřídeli. Jedná se o elektrické stroje pracující v běžném provozu synchronně s frekvencí příslušné elektrorozvodné sítě, tedy o synchronní generátory elektrické energie. Alternátory dělíme podle typu rotoru na alternátory s hladkým rotorem (obvykle se jedná o turboalternátory) a alternátory s vyniklými póly (např. hydroalternátory a jiné pomaloběžné alternátory).

Trojfázový alternátor využívá se v elektrárnách (zdroj střídavého napětí) Rotor = vykonává otáčivý pohyb magnet nebo elektromagnet, uložený na ocelové ose ve středu alternátoru Stator = v soust. cívek se indukuje stříd napětí 3 cívky, jejichž osy svírají navzájem úhly 120°

Střídavé motory Mění elektrickou energii na energii mechanickou pomocí magnetického pole Synchronní Rotor je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějž je přiveden střídavý proud Asynchronní Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece. Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“.

Trojfázový asynchronní elektromotor STATOR - tři cívky, jejichž osy svírají navzájem úhel 120° (obdoba alternátoru) ROTOR (kotva) - válec zhotovený z ocelových plechů s drážkami, v nichž je uloženo vinutí proud procházející cívkami vytváří v prostoru mezi nimi magnetické pole, které se otáčí se stejnou frekvencí jako má přivádějící střídavý proud (vektor B daného mag. pole mění směr) vzniká Točivé magnetické pole klecové vinutí - motor s kotvou nakrátko (točivé magnetické pole indukuje ve vinutí velké proudy - malý odpor kotvy) kotva se roztočí s jinou frekvencí než je frekvence točivého mag. pole (změna mag. induk. toku musí být různá od nuly, aby se v cívce indukovalo napětí)