FIIFEI-06 Elektromagnetická indukce

Prezentace na téma: "FIIFEI-06 Elektromagnetická indukce"— Transkript prezentace:

1 FIIFEI-06 Elektromagnetická indukce
Doc. Miloš Steinhart, UAFM UPCE EA , tel (026)

2 Hlavní body Elektromagnetismus Úvod
Posunující se nebo rotující vodivá tyčka Faradayův a Lenzův zákon Princip elektromotoru Foucaltovy proudy Vlastní a vzájemná indukčnost

3 Úvod do elektromagnetismu.
Elektromagnetismus je disciplína, zabývající se vzájemným vztahem elektrických a magnetických jevů Mnoho vědců se v historii tímto vztahem zabývalo. Když bylo známo, že elektrické proudy vytvářejí magnetické pole a interagují s ním, naskytla se přirozená otázka, zda také magnetické pole také produkuje pole elektrické. Jednoduché pokusy selhávaly!

4 Faradayův pokus I Michael Faraday ( ) používal dvě cívky na jednom toroidálním jádru. Pomocí zdroje vytvářel proud v první cívce a na druhou měl připojen galvanometr. Pravděpodobně nebyl první, kdo zjistil, že galvanometrem netekl proud, ať bylo magnetické pole jakkoli silné.

5 Faradayův pokus II Byl ale první kdo si všiml, že galvanometr ukazoval silnou výchylku při připojení zdroje a výchylku na druhou stranu, při jeho odpojení . Správně došel k závěru, že galvanometr nereaguje pouze na přítomnost magnetického pole, ale na jeho časové změny.

6 Jednoduchý pokus I Jev elektromagnetické indukce můžeme ukázat ještě jednodušeji, pomocí permanentního magnetu a cívky s několika závity drátu, připojených k galvanometru. Budeme-li vsouvat magnet do cívky, bude na galvanometru výchylka jedním směrem. Budeme-li jej vysouvat, směr výchylky bude opačný. Když magnet otočíme, bude orientace všech výchylek opačná.

7 Jednoduchý pokus II Budeme-li v předchozím pokusu navíc sledovat orientaci magnetu a výchylek, zjistíme, že proud, vzniklý pohybem magnetu má takový směr, že magnetické pole, jím vytvořené, směřuje proti změnám, která ho vyvolala. Můžeme si také všimnout, že permanentní magnet může zůstat v určité pevné vzdálenosti a pro vyvolání indukovaného proudu jej stačí naklonit.

8 Pohyblivá vodivá tyč I Připojme zdroj ke dvěma rovnoběžným kolejničkám, ležícím v rovině, kolmé k magnetickým siločárám. Položme na ně dvě vodivé tyčinky. V jedné budou nosiče kladné, ve druhé záporné. Vidíme, že vzhledem k tomu, že se náboje opačné polarity pohybují při stejném směru proudu na opačnou stranu, bude síla působící na náboje rozdílné polarity a tedy i síla působící na obě tyčky stejná. Je to vlastně princip elektromotoru.

9 Pohyblivá vodivá tyč II
Než uvedeme obecný zákon elektromagnetické indukce, je užitečné prozkoumat speciální případ vodivé tyčky délky L, pohybující se rychlostí v kolmo na siločáry homogenního magnetického pole o indukci B, které vycházejí z podložky. Předpokládejme kladné volné nosiče náboje, které nemohou tyčku snadno opustit. Protože je nutíme pohybovat se v magnetickém poli, působí na ně Lorentzova síla.

10 Pohyblivá vodivá tyč III
Náboje jsou ale v rámci tyčky volné a proto se budou pohybovat ve směru síly a jeden konec tyčky se nabije kladně. Na druhém konci bude kladný náboj scházet, takže se nabije záporně. Objevuje se ale nové elektrické pole a s ním i elektrická síla působící na náboj. Má vždy opačnou orientaci než síla Lorentzova.

11 Pohyblivá vodivá tyč IV
Při konstantních podmínkách bude rychle dosaženo rovnováhy, kdy výslednice sil působících na náboje bude nulová a nabíjení se tím pádem zastaví: qvB = qE = qU/L  UE = BLv Budou-li volné nosiče náboje opačné polarity, nic se makroskopicky nezmění! Nezáleží ani na velikosti jejich náboje.

12 Magnetický indukční tok I
Viděli jsme, že pohyb vodiče v magnetickém poli v něm vede k indukci napětí, tzv. elektro-magnetické indukci. Jedná se o speciální případ, kdy dochází k časové změně magnetického indukčního toku nebo magnetického toku.

13 Magnetický indukční tok II
Magnetický indukční tok je definován: Reprezentuje míru magnetické indukce , která proteče kolmo malým elementem plochy, která je popsána vektorem své vnější normály . Skalárním součinem je ošetřena kolmost.

14 Gaussova věta magnetismu
Celkový tok magnetické indukce procházející skrz libovolnou uzavřenou plochu je nulový. Fyzikálně věta vyjadřuje skutečnost, že nelze oddělit magnetické póly a magnetické siločáry jsou vždy uzavřené. Každá siločára, která protne libovolnou uzavřenou plochu ji musí na jiném místě protnout v opačném smyslu.

15 Faradayův zákon I Elektromagnetickou indukci obecně popisuje Faradayův zákon, který říká, že velikost indukovaného elektromotorického napětí v určitém obvodu je rovna velikosti časové změny magnetického toku tímto obvodem: Znaménko minus popisuje orientaci napětí, což popisuje zvláštní zákon (pravidlo).

16 Faradayův zákon II Magnetický tok je skalární součin vektoru magnetické indukce a vektoru normály plošky . Principiálně se mohou v čase měnit nezávisle tři veličiny: B … například v transformátorech S … například v příkladu s tyčkou vzájemná poloha a … generátory

17 Lenzův zákon Lenzův zákon se zabývá orientací indukovaného elektromotorického napětí: Indukované elektromotorické napětí vyvolá proud takového směru, že magnetické pole, jím vyvolané, působí proti změně magnetického toku, která ho vyvolala. Není-li obvod uzavřen, můžeme si jeho uzavření, abychom určili směr proudu, představit.

18 Pohyblivá vodivá tyč V Ilustrujme Lenzův zákon na předchozím příkladu vodivé tyčky, která se nyní bude pohybovat po dvou paralelních vodičích (kolejnicích) do prava. Propojíme-li kolejnice vlevo, magnetický tok roste, protože se zvětšuje plocha, vymezená tyčkou, kolejnicemi a propojkou. Proud v tomto případě musí téct proti směru hodinových ručiček, aby pole, které vytváří bylo orientovéno proti poli původnímu a kompenzoval se růst toku.

19 Pohyblivá vodivá tyč VI
Propojíme-li kolejnice vpravo, magnetický tok klesá, protože se zmenšuje plocha, vymezená tyčkou, kolejnicemi a propojkou. Proud v tomto případě musí téct ve směru hodinových ručiček, aby pole, které vytváří bylo orientováno shodně s polem původním a kompenzoval se pokles toku. Směr proudu vlastní tyčkou je v obou případech shodný a odpovídá předchozímu odvození.

20 Jednoduchý pokus III Vraťme se k demonstraci s pevným magnetem a galvanometrem. Z výchylky přístroje vidíme směr proudu, když se přibližujeme smyčce a když se vzdalujeme. Můžeme zjistit, který pól magnetu je severní a ověřit to v magnetickém poli Země.

21 Rotující vodivá tyč I Vodivá tyč o délce L s úhlovou rychlostí  kolmo na siločáry homogenního magnetického pole o indukci B. Jaké je indukované napětí? Tyč “kosí” siločáry, takže dochází ke změně magnetického toku a napětí je indukováno. Každý kousíček tyčky se však pohybuje s jinou rychlostí a napětí na něm bude jiné. Celkové napětí ale bude součtem napětí na jednotlivých kousíčcích a stačí tedy integrovat .

22 Pohyblivá vodivá tyč VII
Otázka : Musíme konat práci abychom pohybovali vodivou tyčkou v magnetickém poli?

23 Pohyblivá vodivá tyč VIII
Odpověď: Jen do ustavení rovnováhy, tedy polarizace náboje na tyčce. Potom již NE, protože po ustavení rovnováhy mezi elektrickými a magnetickými silami neteče žádný proud! Když ale kolejnice přemostíme, např. Odporem, situace se mění. Proč?

24 Přenos energie Elektromagnetická indukce je základem nejčastějšího způsobu výroby a přenosu elektrické energie. Výhoda je, že elektrická energie je vyráběna v elektrárnách, efektivně a na vhodném místě a potom je relativně snadno a s malými ztrátami přenášena na místo spotřeby, které může být značně vzdáleno. Princip lze ukázat na naší vodivé tyčce.

25 Pohyblivá vodivá tyč IX
Nejsou-li kolejnice propojeny, není pro pohyb tyčky třeba dodávat práci, protože po dosažení rovnovážného napětí UE = BLv neteče proud. Kdyby ale tyčkou procházel dolů proud I, bude na ni působit síla směrem doleva v klidu i v pohybu, jak jsme již ukázali : F = BIL.

26 Pohyblivá vodivá tyč X Když tyčkou pohybujeme a kolejnice propojíme tak, že celková rezistance obvodu bude R, poteče proud daný Ohmovým zákonem I =UE/R. V důsledku platnosti principu superpozice, působí na tyčku výše uvedená síla a pohybujeme-li tyčkou proti této síle rychlostí v, musíme dodat výkon : P = Fv = BIlv = U I = RI2, který je tedy roven výkonu, jenž se na odporu R změní v teplo.

27 Překonávání momentu síly I
Lze očekávat, že podobně jako je nutné překonávat sílu při translačním pohybu tyčky, je nutné při její rotaci překonávat moment síly. Můžeme to ukázat na otáčející se vodivé tyčce. Musíme změnit translační veličiny na rotační : P = Fv = T

28 Překonávání momentu síly II
Ukažme nejprve, že prochází-li tyčkou délky L, která se může otáčet kolem jednoho svého konce v homogenním magnetickém poli o indukci B, proud I, působí na ni moment síly. Na každý kousek dr tyčky působí zřejmě síla. Pro určení momentu síly musíme vzít v úvahu také její vzdálenost od osy otáčení a tedy integrovat.

29 Překonávání momentu síly III
Otáčíme-li tyčkou a propojíme-li její konce rezistorem R, poteče proud I = U/R. V důsledku principu superpozice musíme tím pádem při rotaci překonávat moment síly. Rotujeme-li tyčkou s úhlovou rychlostí  musíme dodat výkon : P = T = BIL2/2 = UI = RI2, který je opět roven výkonu, jenž se na rezistoru R změní v teplo.

30 Princip elektromotoru I
Z výše uvedeného vidíme, že rotační i translační pohyby vedou k obdobným závěrům. Proto se zatím bez újmy na obecnosti vrátíme k vodivé tyčce, která se může pohybovat přímočaře a bez tření po kolejnicích. Nechť je tyčka v klidu a ke kolejnicím připojíme vnější zdroj. Poteče rozběhový proud I0, daný napětím zdroje U a rezistancí obvodu R : I0 = U/R.

31 Princip elektromotoru II
Jemu odpovídá jistá rozběhová síla : F0 = BLI0 = BLU/R Poté, co se dá tyčka do pohybu, objeví se v obvodu, stejně jako kdyby tyčkou pohyboval vnější činitel, elektromotorické napětí. Jeho velikost závisí na dosažené rychlosti a jeho polarita je opačná k polaritě napětí zdroje, podle Lentzova zákona. Nazýváme ho proto elektromotorické proti-napětí (counter EMF).

32 Princip elektromotoru III
Za pohybu bude celkový proud superpozicí původního proudu a proudu způsobeného elektromotorickým proti-napětím a zjevně závisí na rychlosti tyčky: I(v) = [U - UE(v)]/R = (U – vBL)/R Síla působící na tyčku potom závisí právě na tomto celkovém proudu : F(v) = BLI(v)

33 Princip elektromotoru IV
Není-li tyčka mechanicky zatížena bude se zprvu pohybovat zrychleně. S rostoucí rychlostí se ale zvětšuje indukované elektromotorické napětí, tím i protiproud a tedy se snižuje celkový proud a tudíž i síla, působící na tyčku. Děj vede k rovnováze, při které napětí indukované je rovno napětí zdroje. Zde mizí proud a tedy i síla a tyčka se dále pohybuje rovnoměrně tzv. volnoběžnou rychlostí ve = U/BL.

34 Princip elektromotoru IV
Volnoběžná rychlost volné tyčky ve tedy závisí na napětí zdroje U. Předpokládejme dále, že tyčka je zatížena jistou silou v intervalu od nuly po sílu rozběhovou F  (0, F0) S rostoucí zátěží proud lineárně poroste a rychlost bude lineárně klesat : I = F/BL v = (I0-I).R/BL

35 Princip elektromotoru V
Úpravou původního vztahu pro proud získáme zajímavou informaci o výkonech : I = I0 – BvL/R  BvL/R = I0 – I rozšíříme proudem I a zavedeme sílu F = BIL Pm = Fv = RI0I – RI2 = UI – RI2 = P – Pz

36 Princip elektromotoru VI
Mechanický výkon Pm = Fv nabývá maxima při síle F = F0/2. Zde jsou také proud a rychlost rovny polovině svých rovnoběžných hodnot. Ohmický ztrátový výkon Pz = RI2 roste kvadraticky s růstem zátěže i proudu. Výkon zdroje P, který je jejich součtem, roste lineárně. Efektivita výkonu Pm/P lineárně klesá. K obdobným závěrům lze dojít i u elektromotorů otáčivých.

37 Princip elektromotoru VII
Elektromotory bývají obvykle optimalizovány na maximální mechanický výkon: Jejich pracovní otáčky jsou polovinou otáček volnoběžných a pracovní proud je polovinou proudu rozběhového. Na tyto parametry je navrženo chlazení, aby je motor mohl dlouhodobě vydržet. Chlazení obvykle souvisí s otáčkami a je-li motor přetížen a velmi se zpomalí nebo dokonce zastaví, spálí se, přestože proud je necelým dvojnásobkem proudu pracovního.

38 Foucaultovy proudy I Zatím jsme uvažovali jednorozměrnou tyčku zcela ponořenou do homogenního magnetického pole. Je-li ale vodič třírozměrný a není úplně ponořen nebo pole není homogenní, objevuje se nový jev, zvaný Foulcautovy proudy.

39 Foucaultovy proudy II Novým jevem je, že indukované proudy nyní tečou uvnitř vodiče. Způsobují síly, které kladou odpor pohybu. Ten je buď tlumen nebo musí být dodáván výkon k jeho udržení.

40 Foucaultovy proudy III
Foucaultovy proudy způsobují vyvíjení tepla, takže jsou zdrojem ztrát výkonu. V případech, kde jsou ztráty naškodu musí být maximálně eliminovány speciální konstrukcí jader elektromotorů a transformátorů. Využívá se například konstrukce z navzájem izolovaných plechů. Mohou ale být také využity, například k plynulému brždění některých pohybů (třeba u magnetických vlaků).

41 Vlastní indukčnost I Viděli jsme, že po připojení volné vodivé tyčky, ponořené do magnetického pole, objevuje se elektromotorické protinapětí, které má opačnou polaritu než napět budící. Dokonce i jednoduchý obvod realizovaný smyčkou vodiče bez vnějšího magnetického pole se bude chovat kvalitativně stejně.

42 Vlastní indukčnost II Máme-li takový vodič, kterým již protéká jistý proud. Je vlastně ponořen do magnetického pole generovaného tímto jeho vlastním proudem. Chceme-li v tomto okamžiku změnit proud, měníme magnetické pole a tím i magnetický tok a objevuje se elektromotorické napětí, vyvolávající proud jehož účinky působí proti změně, o níž se snažíme. Chceme-li proud zvýšit, musíme konat práci, dokonce příslušnou rychlostí.

43 Vlastní indukčnost III
Uděláme-li v obvodu N závitů, tento efekt se N krát znásobí. Lze očekávat, že elektromotorické napětí indukované v tomto případě závisí na: geometrii vodiče a vlastnostech okolního prostoru rychlosti změny proudu Bývá zvykem tyto jevy oddělit a první skupinu zahrnout do veličiny zvané (vlastní) indukčnost (cívky) L.

44 Vlastní indukčnost IV Potom zákon elektromagnetické indukce píšeme :
Jsme v obdobné situaci jako jsme byli v elektrostatice. Tam jsme používali kondenzátory, abychom vytvořili elektrické pole v určitém prostoru. Nyní používáme cívky, abychom vytvořili pole magnetické. Cívky mají obvykle tvar solenoidu nebo toroidu.

45 Vlastní indukčnost V Mějme dlouhý solenoid s N závity.
Protéká-li jím jistý proud I, bude procházet jeho každým závitem stejný magnetický tok m1. Dojde-li ke změně tohoto toku, indukuje se v každém závitu stejné elektromotorické napětí. Protože závity jsou vlastně zapojeny do série, bude celkové naindukované napětí N násobek napětí v jednom závitu. Mírně přizpůsobíme Faradayův zákon a použijeme předešlou definici indukčnosti.

46 Vlastní indukčnost VI Jsou-li N a L konstantní, obdržíme jednoduchou integrací indukčnost: Jednotkou magnetického toku je 1 weber 1 Wb = 1 Tm2 Jednotkou indukčnosti je 1 henry 1H = Vs/A = Tm2/A = Wb/A

47 Vlastní indukčnost VII
Magnetický tok závity závisí na proudu a geometrii. V případě solenoidu délky l a průřezu S a materiálu s relativní permeabilitou r platí: V elektronice a elektrotechnice se používají cívky, součástky, jejichž funkcí je mít indukčnost.

48 Vzájemná indukčnost I Dvě cívky blízko sebe, se mohou ovlivňovat prostřednictvím magnetického pole. Toto ovlivňování popisujeme vzájemnou indukčností. Jedná se o celkový tok v jedné cívce jako funkce proudu v cívce druhé. Mějme dvě cívky Ni, Ii na společném jadře nebo blízko sebe. Budiž 21 tok v každém závitu cívky 2, způsobený proudem v cívce 1.

49 Vzájemná indukčnost II
Potom definujeme vzájemnou indukčnost M21 jako celkový tok ve všech závitech cívky 2 na jednotkový proud (1 ampér) v cívce 1: M21 = N221/I1  I1M21 = N221 Indukované napětí ve 2. cívce přímo z Faradayova zákona a s použitím vzájemné indukčnosti je : U2 = - N2d21/dt = - M21 dI1/dt Použití M21 má smysl, když se vzájemné působení cívek nemění v čase. Obecně závisí na geometrii obou cívek a vlastnostech prostředí mezi nimi.

50 Vzájemná indukčnost III
Lze dokázat, že vzájemná indukčnost obou cívek je stejná M21 = M12 . Skutečnost, že proud v jedné cívce indukuje napětí v cívce druhé, má řadu praktických aplikací. Používá se například k napájení kardiostimulátorů, aniž by se vedly vodiče tkání. Nejdůležitějším využitím jsou transformátory.

51 Transformátor I Transformátor je zařízení, ve kterém sdílí jedna, dvě nebo více cívek stejný (časově proměnný) magetický tok. Cívka, ke které je připojeno vstupní napětí a která tento tok vytváří, se nazývá primární. Ostatní jsou sekundární. (Existují i autotransformátory s jednou cívkou a odbočkami) Transformátory se užívají hlavně k převodu napětí a proudu nebo přizpůsobení vnitřního odporu (impedančnímu přizpůsobení).

52 Transformátor II Ilustrujme princip funkce transformátoru na jednoduchém typu se dvěma cívkami, které mají N1 a N2 závitů. Předpokládejme, že sekundární cívkou teče zanedbatelný proud. Vstupní napětí musí být časově proměnné. Každým jedním závitem každé cívky prochází stejný tok a indukuje se v něm elektromotorické napětí U1 : U1 = - d/dt

53 Transformátor III Připojíme-li k primární cívce napětí U1, bude magnetizace jádra růst do doby, než se indukované elektromotorické napětí vyrovná napětí vstupnímu: U1 = N1U1 Napětí na sekundárním vinutí je také úměrné počtu závitů: U2 = N2U1

54 Transformátor IV Takže napětí v obou cívkách jsou úměrná počtu jejich závitů : U1/N1 = U2/N2 Obtížnější případ je porozumět funkci transformátoru, když je zatížen a velmi obtížné je navrhnout dobrý transformátor s velkou účinností, která se blíží 100%, což je velice důležité pro přenos energie.

55 Transformátor V Předpokládejme, že máme transformátor s účinností blízkou 1. Lze ukázat, že proudy cívkami jsou nepřímo úměrné počtu závitů a vnitřní odpory jsou úměrné jejich čtverci. P = I1U1 = I1U2N1/N2 = I2U2 I1N1 = I2N2 R1/N12 = R2/N22

56 Energie magnetického pole I
Indukčnost brání změnám protékajícího proudu. Znamená to, že k dosažení stavu, kdy cívkou protéká určitý proud, bylo potřeba vykonat jistou práci. Tato práce se přemění do potenciální energie magnetického pole. Roste při zvyšování proudu a klesá při jeho snižování. Protéká-li cívkou proud I, který chceme zvětšit, musíme dodat výkon, úměrný proudu a také jeho změně v čase, které chceme dosáhnout.

57 Energie magnetického pole II
Jinými slovy musíme konat práci určitou rychlostí, abychom byli schopni posunovat náboji proti poli indukovaného elektromotorického napětí : P = IU = ILdI/dt  dW = Pdt = LIdI Abychom našli práci potřebnou k dosažení proudu I, musíme integrovat : W = LI2/2

58 Hustota energie magnetického pole I
Podobně, jako tomu bylo u nabitého kondenzátoru, i zde je energie obsažena v poli, nyní samozřejmě magnetickém. Jeho hustotu lze jednoduše vyjádřit u homogenního pole dlouhého solenoidu : Známe vztahy pro indukčnost L a indukci B L = 0N2S/l B = 0NI/l  I = Bl/0N

59 Hustota energie magnetického pole II
Protože Sl je objem solenoidu, kde lze očekávat soustředěnou většinu energie, můžeme pokládat za hustotu energie magnetického pole. Tento výraz platí obecně v okolí každého bodu i v nehomogenních polích.

60 Skalární součin Ať Definice I (ve složkách) Definice II
Skalární součin je součin velikosti jednoho vektoru krát průmět velikosti vektoru druhého do jeho směru. ^

61 Vektorový součin I Ať Definice (ve složkách) Velikost vektoru
Velikost vektorového součinu je rovna obsahu rovnoběžníku tvořeného vektory

62 Vektorový součin II Vektor je kolmý k rovině vytvořené vektory a a společně vytváří pravotočivý systém. ijk = {1 (sudá permutace), -1 (lichá), 0 (eq.)} ^

63 Gaussova věta magnetismu
Přesná definice: ^

64 Rotující vodivá tyčka I
Napřed se zamyslíme nad směry: půjdou-li siločáry z podložky a tyčka se bude otáčet v kladném smyslu proti směru hodinových ručiček, nabíjí se střed otáčení záporně. Napětí dU indukované na kousku dr: Celkové elektromotorické napětí : ^

65 Rotující vodivá tyčka II
Moment síly působící na na kousek dr vzdálený r od středu otáčení vodivé tyčky délky L , kterou protéká proud I kolmo na magnetické pole B je: Celkový moment síly tedy je: ^

66 Rotující vodivá tyčka III
Záporný pól zdroje U připojíme na střed. Je-li odpor obvodu R, budou rozběhový proud I0 a moment T0 : Otáčí-li se tyčka s jistou úhlovou rychlostí , indukuje se v ní elektromotorické protinapětí a celkový I proud je :

67 Rotující vodivá tyčka IV
Volná tyčka dosáhne rovnovážné úhlové rychlosti e , když se napětí vyrovnají : Při zatížení jistým momentem 0 < T < T0 budou celkový proud I a úhlová rychlost  :

68 Rotující vodivá tyčka V
Závěry pro výkony jsou obdobné jako u pohybu translačního : Zařízení může pracovat v režimu elektromotoru 0 <  < e nebo v režimu generátoru pro  vně tohoto intervalu: ^