Inductors i camps magnètics. Part 2. Inducció i inductància electromagnètiques

La primera part de l'article: Inductors i camps magnètics

La relació de camps elèctrics i magnètics

Els fenòmens elèctrics i magnètics han estat estudiats des de fa temps, però a ningú mai se’ls ha semblat relacionar aquests estudis entre ells. I només el 1820 es va descobrir que un conductor actual actua sobre l’agulla de la brúixola. Aquest descobriment va pertànyer al físic danès Hans Christian Oersted. Posteriorment, la unitat de mesura de la força del camp magnètic en el sistema GHS va rebre el seu nom: la designació russa E (Oersted), la designació anglesa Oe. El camp magnètic té aquesta intensitat en un buit durant la inducció d'1 Gauss.

Aquest descobriment va suggerir que es podia obtenir un camp magnètic a partir d’un corrent elèctric. Al mateix temps, van sorgir pensaments sobre la transformació inversa, és a dir, sobre com obtenir un corrent elèctric d’un camp magnètic. De fet, molts processos a la natura són reversibles: el gel s’obté de l’aigua, que es pot fondre de nou a l’aigua.

Després del descobriment d’Oersted, l’estudi d’aquesta ara evident llei de la física va trigar fins a vint-i-dos anys. El científic anglès Michael Faraday es va dedicar a l'obtenció d'electricitat a partir d'un camp magnètic. Es van fer conductors i imants de diverses formes i mides, i es van buscar opcions per al seu arranjament mutu. I només, aparentment, per casualitat, el científic va descobrir que per obtenir EMF als extrems del conductor, cal un terme més: el moviment de l’imant, és a dir. el camp magnètic ha de ser variable.

Ara això no sorprèn a ningú. Així és com funcionen tots els generadors elèctrics: sempre que es faci girar amb alguna cosa, es genera electricitat, s’encén una bombeta. Va parar, va deixar de girar i la llum es va apagar.

Inducció electromagnètica

Així, l’EMF als extrems del conductor només es produeix si es mou d’una manera determinada a un camp magnètic. O, més precisament, el camp magnètic ha de canviar necessàriament, ser variable. Aquest fenomen s’anomena inducció electromagnètica, en guia electromagnètica russa: en aquest cas diuen que l’EMF és induït al conductor. Si es connecta una càrrega a una font EMF, circularà un corrent al circuit.

La magnitud del FEM induït depèn de diversos factors: la longitud del conductor, la inducció del camp magnètic B i, en gran mesura, de la velocitat de moviment del conductor en el camp magnètic. Com més ràpid es gira el rotor del generador, més alt serà el voltatge a la sortida.

Nota: la inducció electromagnètica (el fenomen de l'ocurrència d'un EMF als extrems d'un conductor en un camp magnètic altern) no s'ha de confondre amb la inducció magnètica: una quantitat física vectorial que caracteritza el camp magnètic real.

Tres maneres d’aconseguir EMF

Inducció

Aquest mètode ha estat considerat. a la primera part de l'article. N’hi ha prou de moure el conductor al camp magnètic de l’imant permanent, o viceversa per moure (gairebé sempre per gir) l’imant a prop del conductor. Ambdues opcions us permetran obtenir un camp magnètic alternatiu. En aquest cas, el mètode d’obtenció d’EMF s’anomena inducció. És la inducció que s'utilitza per obtenir EMF en diversos generadors. Als experiments de Faraday del 1831, l’imant es va moure progressivament dins de la bobina de filferro.

Inducció mútua

Aquest nom suggereix que dos conductors participen en aquest fenomen. En un d’ells flueix un corrent canviant, que crea un camp magnètic alternatiu al seu voltant. Si hi ha un altre conductor a prop, aleshores als seus extrems hi ha una variable EMF.

Aquest mètode per obtenir EMF s’anomena inducció mútua.Es basa en el principi de la inducció mútua que tots els transformadors funcionen; només els seus conductors es fabriquen en forma de bobines i es fan servir nuclis de materials ferromagnètics per millorar la inducció magnètica.

Si el corrent del primer conductor s’atura (circuit obert), o fins i tot es fa molt fort, però constant (no hi ha canvis), aleshores als extrems del segon conductor no es pot obtenir cap EMF. És per això que els transformadors funcionen només en corrent altern: si una bateria galvànica està connectada al bobinat primari, definitivament no hi haurà cap voltatge a la sortida del bobinatge secundari.

L’EMF en el bobinat secundari només s’indueix quan canvia el camp magnètic. A més, com més gran sigui la taxa de canvi, és a dir, la velocitat i no el valor absolut, més gran serà el FEM induït.

Autoinducció

Si elimineu el segon conductor, el camp magnètic del primer conductor penetrarà no només l'espai circumdant, sinó també el conductor. Així, sota la influència del seu camp en l’EMF induït pel conductor, que s’anomena EMF d’autoinducció.

El científic rus Lenz va estudiar els fenòmens d’autoinducció del 1833. A partir d’aquests experiments, es va trobar un patró interessant: l’EMF d’autoinducció sempre contraresta, compensa el camp magnètic alternatiu extern que provoca aquest EMF. Aquesta dependència s’anomena regla de Lenz (no s’ha de confondre amb la llei de Joule-Lenz).

El signe menys en la fórmula només parla de contrarestar la FEM d’autoinducció per les seves causes. Si la bobina està connectada a una font de corrent directe, el corrent augmentarà força lentament. Això es nota molt quan el bobinat primari del transformador es “marca” amb un ohmímetre de punter: la velocitat de la fletxa en direcció a la divisió d’escala zero és sensiblement menor que quan es comproven resistències.

Quan la bobina es desconnecta de la font actual, l’EMF d’auto-inducció provoca que s’estenguin els contactes del relé. En el cas que la bobina sigui controlada per un transistor, per exemple, una bobina de relé, se situa un díode en paral·lel a la direcció contrària respecte a la font d’energia. Això es fa per protegir els elements de semiconductor de la influència de l’auto-inducció de l’EMF, que pot arribar a desenes o fins i tot centenars de vegades superior a la tensió de la font d’energia.

Per realitzar experiments, Lenz va construir un dispositiu interessant. Dos anells d'alumini es fixen als extrems del braç de balancí d'alumini. Un anell és sòlid i l’altre era tallat. El balancí gira lliurement sobre l’agulla.

Quan es va introduir un imant permanent en un anell continu, "es va escapar" de l'imant i, quan es va treure l'imant, el va buscar. Les mateixes accions amb l’anell de tall no van provocar moviments. Això es deu al fet que en un anell continu sota la influència d'un camp magnètic altern, sorgeix un corrent que crea un camp magnètic. Però a l’anell obert no hi ha corrent, per tant, tampoc hi ha camp magnètic.

Un detall important d’aquest experiment és que si s’insereix un imant a l’anell i queda estacionari, no s’observa cap reacció de l’anell d’alumini a la presència de l’imant. Això confirma una vegada més que la inducció EMF es produeix només en cas de canvi del camp magnètic i que la magnitud de la CEM depèn de la velocitat de canvi. En aquest cas, simplement des de la velocitat de moviment de l’imant.

Es pot dir el mateix sobre la inducció mútua i l’autoinducció, només un canvi en la força del camp magnètic, més precisament, la seva taxa de canvi depèn de la velocitat de canvi de corrent. Per il·lustrar aquest fenomen, podem donar un exemple.

Deixeu que els corrents grans passin per dues bobines idèntiques prou grans: a través de la primera bobina 10A, i a la segona fins a 1000, els corrents augmenten linealment en ambdues bobines. Suposem que en un segon el corrent a la primera bobina va canviar de 10 a 15A, i al segon de 1000 a 1001A, cosa que va provocar l’aparició d’EMF d’auto-inducció a les dues bobines.

Però, malgrat un valor tan gran del corrent a la segona bobina, l’EMF d’auto-inducció serà major en la primera, ja que allà la taxa de canvi de corrent és de 5A / s, i en la segona només és d’1A / s. En efecte, l’EMF d’autoinducció depèn de la velocitat d’augment del corrent (llegiu el camp magnètic), i no del seu valor absolut.

Inductància

Les propietats magnètiques de la bobina amb corrent depenen del nombre de voltes, de les dimensions geomètriques. Es pot aconseguir un augment significatiu del camp magnètic mitjançant la introducció d’un nucli ferromagnètic a la bobina. Les propietats magnètiques de la bobina es poden jutjar amb la precisió suficient per la magnitud de la inducció, de la inducció mútua o de la autoinducció. Tots aquests fenòmens es consideraven més amunt.

La característica de la bobina, que parla d’això, s’anomena coeficient d’inductància (autoinducció) o simplement inductància. En les fórmules, la inductància es denota amb la lletra L, i en els esquemes la mateixa lletra indica les bobines de la inductància.

La unitat d’inductància és Henry (GN). La inductància 1H té una bobina en què, quan el corrent canvia per 1A per segon, es genera una EMF de 1V. Aquest valor és força gran: els bobinatges de xarxa de transformadors prou potents tenen una inductància d’un o més GN.

Per tant, amb molta freqüència s’utilitzen valors d’un ordre més reduït, és a dir, mill i micro-henry (mH i μH). Aquestes bobines s'utilitzen en circuits electrònics. Una de les aplicacions de bobines són els circuits oscil·ladors en dispositius de ràdio.

També s'utilitzen bobines com a estrangulacions, el propòsit principal és saltar el corrent directe sense pèrdues al mateix temps que es debilita el corrent altern (filtres en fonts d'alimentació) Generalment, com més gran sigui la freqüència de funcionament, menys bobines de inductància són necessàries.

Inductància

Si porteu un transformador de xarxa prou potent i mesura amb un multímetre resistència de la bobinada primària, resulta que és només uns ohms, i fins i tot a prop de zero. Resulta que el corrent mitjançant una bobinatge tan gran serà molt gran i fins i tot tendirà a l’infinit. Un curtcircuit sembla ser inevitable! Per què no?

Una de les principals propietats dels inductors és la resistència inductiva, que depèn de la inductància i de la freqüència del corrent altern que es connecta a la bobina.

És fàcil veure que amb un augment de la freqüència i la inductància, la resistència inductiva augmenta, i en corrent directe generalment es fa igual a zero. Per tant, quan es mesura la resistència de les bobines amb un multímetre, només es mesura la resistència activa del filferro.

El disseny dels inductors és molt divers i depèn de les freqüències en què opera la bobina. Per exemple, per treballar en el decímetre de les ones de ràdio, es fan servir sovint bobines fetes per cablejat imprès. En la producció massiva, aquest mètode és molt convenient.

La inductància d'una bobina depèn de les seves dimensions geomètriques, nucli, nombre de capes i forma. Actualment, es produeixen un nombre suficient d’inductors estàndard, similars a les resistències convencionals amb plom. El marcatge d'aquestes bobines es realitza amb anells de colors. També hi ha bobines de muntatge en superfície utilitzades com a ofegacions. La inductància d’aquestes bobines és de diversos mil·lenis.