De elektromagnetische inductie wordt gedefinieerd als de inductie van een elektromotorische kracht (spanning) in een medium of nabij lichaam vanwege de aanwezigheid van een veranderend magnetisch veld. Dit fenomeen werd ontdekt door de Britse fysicus en chemicus Michael Faraday, in de loop van het jaar 1831, door middel van de wet van Faraday van elektromagnetische inductie.
Faraday voerde experimentele tests uit met een permanente magneet omgeven door een draadspoel en observeerde de inductie van een spanning op die spoel en de circulatie van een onderliggende stroom.
Michael faraday
Deze wet stelt dat de geïnduceerde spanning op een gesloten lus recht evenredig is met de snelheid van verandering van de magnetische flux wanneer deze door een oppervlak gaat, met betrekking tot de tijd. Het is dus mogelijk om de aanwezigheid van een spanningsverschil (spanning) op een aangrenzend lichaam te induceren als gevolg van de invloed van variërende magnetische velden.
Deze geïnduceerde spanning veroorzaakt op zijn beurt de circulatie van een stroom die overeenkomt met de geïnduceerde spanning en de impedantie van het te analyseren object. Dit fenomeen is het werkingsprincipe van stroomsystemen en apparaten voor dagelijks gebruik, zoals: motoren, generatoren en elektrische transformatoren, inductieovens, inductoren, batterijen, enz.
Formule en eenheden
De elektromagnetische inductie die door Faraday werd waargenomen, werd gedeeld met de wereld van de wetenschap door middel van wiskundige modellen waarmee dit soort verschijnselen kan worden gerepliceerd en hun gedrag kan worden voorspeld.
Formule
Om de elektrische parameters (spanning, stroom) te berekenen die verband houden met het fenomeen van elektromagnetische inductie, moet eerst worden bepaald wat de waarde is van magnetische inductie, momenteel bekend als het magnetische veld.
Om te weten wat de magnetische flux is die door een bepaald oppervlak gaat, moet het product van magnetische inductie door dat gebied worden berekend. Zo:
Waar:
Φ: Magnetische flux
B: Magnetische inductie
S: oppervlak
De wet van Faraday geeft aan dat de elektromotorische kracht die op naburige lichamen wordt geïnduceerd, wordt bepaald door de snelheid waarmee de magnetische flux in de tijd verandert, zoals hieronder wordt beschreven:
Waar:
ε: elektromotorische kracht
Door de waarde van de magnetische flux in de vorige uitdrukking te vervangen, hebben we het volgende:
Als aan beide zijden van de vergelijking integralen worden toegepast om een eindig pad af te bakenen voor het gebied dat is geassocieerd met de magnetische flux, wordt een nauwkeurigere benadering van de vereiste berekening verkregen.
Bovendien wordt op deze manier ook de berekening van de elektromotorische kracht in een gesloten circuit beperkt. Dus bij het toepassen van integratie in beide leden van de vergelijking, wordt verkregen dat:
Maateenheid
Magnetische inductie wordt gemeten in het International System of Units (SI) in Tesla's. Deze maateenheid wordt weergegeven door de letter T en komt overeen met de reeks van de volgende basiseenheden.
Eén Tesla is gelijk aan de uniforme magnetische inductie die een magnetische flux van 1 weber produceert over een oppervlak van één vierkante meter.
Volgens het Cegesimal System of Units (CGS) is de meeteenheid voor magnetische inductie de gauss. De equivalentierelatie tussen beide eenheden is als volgt:
1 tesla = 10.000 gauss
De meeteenheid voor magnetische inductie dankt zijn naam aan de Servo-Kroatische ingenieur, natuurkundige en uitvinder Nikola Tesla. Het werd halverwege de jaren zestig zo genoemd.
Hoe werkt het?
Het wordt inductie genoemd omdat er geen fysieke verbinding is tussen de primaire en secundaire elementen; bijgevolg gebeurt alles via indirecte en immateriële verbindingen.
Het fenomeen van elektromagnetische inductie treedt op gezien de interactie van de krachtlijnen van een variabel magnetisch veld op de vrije elektronen van een nabij geleidend element.
Hiervoor moet het object of medium waarop de inductie plaatsvindt loodrecht op de krachtlijnen van het magnetische veld staan. Op deze manier is de kracht die op de vrije elektronen wordt uitgeoefend groter en bijgevolg de elektromagnetische inductie veel sterker.
Op zijn beurt wordt de circulatierichting van de geïnduceerde stroom gegeven door de richting die wordt gegeven door de krachtlijnen van het variabele magnetische veld.
Aan de andere kant zijn er drie methoden waarmee de magnetische veldflux kan worden gevarieerd om een elektromotorische kracht op een nabijgelegen lichaam of object te induceren:
1- Wijzig de module van het magnetische veld door variaties in de intensiteit van de stroom.
2- Verander de hoek tussen het magnetische veld en het oppervlak.
3- Wijzig de grootte van het inherente oppervlak.
Als een magnetisch veld eenmaal is gewijzigd, wordt een elektromotorische kracht opgewekt in het naburige object die, afhankelijk van de weerstand tegen de stroomcirculatie die het heeft (impedantie), een geïnduceerde stroom zal produceren.
In die volgorde van ideeën zal het aandeel van genoemde geïnduceerde stroom groter of kleiner zijn dan de primaire stroom, afhankelijk van de fysieke configuratie van het systeem.
Voorbeelden
Het principe van elektromagnetische inductie is de basis van de werking van elektrische spanningstransformatoren.
De transformatieverhouding van een spanningstransformator (step-down of step-up) wordt gegeven door het aantal wikkelingen dat elke transformatorwikkeling heeft.
Dus, afhankelijk van het aantal spoelen, kan de spanning op de secundaire hoger (step-up transformator) of lager (step-down transformator) zijn, afhankelijk van de toepassing binnen het onderling verbonden elektrische systeem.
Op dezelfde manier werken ook elektriciteitsopwekkende turbines in waterkrachtcentrales dankzij elektromagnetische inductie.
In dit geval verplaatsen de turbinebladen de rotatieas die zich tussen de turbine en de generator bevindt. Dit resulteert dan in de mobilisatie van de rotor.
De rotor is op zijn beurt opgebouwd uit een reeks wikkelingen die, wanneer ze in beweging zijn, een variabel magnetisch veld opwekken.
Dit laatste wekt een elektromotorische kracht op in de generatorstator, die is verbonden met een systeem waarmee de tijdens het proces gegenereerde energie online kan worden getransporteerd.
Door de twee hierboven uiteengezette voorbeelden is het mogelijk om te ontdekken hoe elektromagnetische inductie deel uitmaakt van ons leven in elementaire toepassingen van het dagelijks leven.
Referenties
- Elektromagnetische inductie (sf). Hersteld van: electronics-tutorials.ws
- Elektromagnetische inductie (sf). Hersteld van: nde-ed.org
- Vandaag in de geschiedenis. 29 augustus 1831: Elektromagnetische inductie werd ontdekt. Hersteld van: mx.tuhistory.com
- Martín, T., en Serrano, A. (zd). Magnetische inductie. Polytechnische Universiteit van Madrid. Madrid, Spanje. Hersteld van: montes.upm.es
- Sancler, V. (sf). Elektromagnetische inductie. Hersteld van: euston96.com
- Wikipedia, The Free Encyclopedia (2018). Tesla (eenheid). Hersteld van: es.wikipedia.org