No material, entenderemos o conceito de indução EMF em situações de sua ocorrência. Também consideramos a indutância como um parâmetro chave para a ocorrência de um fluxo magnético quando um campo elétrico aparece em um condutor.
A indução eletromagnética é a geração de corrente elétrica por campos magnéticos que mudam ao longo do tempo. Graças às descobertas de Faraday e Lenz, padrões foram formulados em leis, que introduziram simetria na compreensão dos fluxos eletromagnéticos. A teoria de Maxwell reuniu conhecimentos sobre corrente elétrica e fluxos magnéticos. Graças à descoberta de Hertz, a humanidade aprendeu sobre telecomunicações.
Contente
fluxo magnético
Um campo eletromagnético aparece em torno de um condutor com corrente elétrica, porém, em paralelo, também ocorre o fenômeno oposto - indução eletromagnética.Considere o fluxo magnético como um exemplo: se um quadro condutor é colocado em um campo elétrico com indução e movido de cima para baixo ao longo das linhas do campo magnético ou para a direita ou esquerda perpendicular a elas, então o fluxo magnético que passa pelo quadro será constante.
Quando o quadro gira em torno de seu eixo, depois de um tempo o fluxo magnético mudará em uma certa quantidade. Como resultado, um EMF de indução aparece no quadro e uma corrente elétrica aparece, que é chamada de indução.
Indução EMF
Vamos examinar em detalhes o que é o conceito de EMF de indução. Quando um condutor é colocado em um campo magnético e se move com a interseção das linhas de campo, uma força eletromotriz aparece no condutor chamada de EMF de indução. Também ocorre se o condutor permanece estacionário e o campo magnético se move e se cruza com as linhas de força do condutor.
Quando o condutor, onde ocorre a fem, se aproxima do circuito externo, devido à presença desta fem, uma corrente de indução começa a fluir pelo circuito. A indução eletromagnética envolve o fenômeno de indução EMF em um condutor no momento em que é atravessado por linhas de campo magnético.
A indução eletromagnética é o processo inverso de transformar energia mecânica em corrente elétrica. Este conceito e suas leis são amplamente utilizados na engenharia elétrica, a maioria das máquinas elétricas são baseadas neste fenômeno.
Leis de Faraday e Lenz
As leis de Faraday e Lenz refletem os padrões de ocorrência da indução eletromagnética.
Faraday descobriu que os efeitos magnéticos aparecem como resultado de mudanças no fluxo magnético ao longo do tempo.No momento de cruzar o condutor com uma corrente magnética alternada, surge uma força eletromotriz, o que leva ao aparecimento de uma corrente elétrica. Tanto um ímã permanente quanto um eletroímã podem gerar corrente.
O cientista determinou que a intensidade da corrente aumenta com uma rápida mudança no número de linhas de força que atravessam o circuito. Ou seja, o EMF da indução eletromagnética está em proporção direta com a velocidade do fluxo magnético.
De acordo com a lei de Faraday, as fórmulas EMF de indução são definidas da seguinte forma:
E \u003d - dF / dt.
O sinal de menos indica a relação entre a polaridade da EMF induzida, a direção do fluxo e a mudança de velocidade.
De acordo com a lei de Lenz, é possível caracterizar a força eletromotriz dependendo de sua direção. Qualquer mudança no fluxo magnético na bobina leva ao aparecimento de um EMF de indução e, com uma mudança rápida, um EMF crescente é observado.
Se a bobina, onde há um EMF de indução, tiver um curto-circuito com um circuito externo, uma corrente de indução fluirá através dela, como resultado do qual um campo magnético aparecerá ao redor do condutor e a bobina adquirirá as propriedades de um solenóide . Como resultado, um campo magnético é formado ao redor da bobina.
E.Kh. Lenz estabeleceu um padrão segundo o qual a direção da corrente de indução na bobina e o EMF de indução são determinados. A lei afirma que a EMF de indução na bobina, quando o fluxo magnético muda, forma uma corrente direcional na bobina, na qual o fluxo magnético dado da bobina permite evitar mudanças no fluxo magnético estranho.
A lei de Lenz se aplica a todas as situações de indução de corrente elétrica em condutores, independentemente de sua configuração e do método de alteração do campo magnético externo.
O movimento de um fio em um campo magnético
O valor da EMF induzida é determinado dependendo do comprimento do condutor atravessado pelas linhas de força do campo. Com um número maior de linhas de campo, o valor da fem induzida aumenta. Com o aumento do campo magnético e da indução, ocorre um maior valor de EMF no condutor. Assim, o valor da EMF de indução em um condutor movendo-se em um campo magnético é diretamente dependente da indução do campo magnético, do comprimento do condutor e da velocidade de seu movimento.
Essa dependência é refletida na fórmula E = Blv, onde E é a fem de indução; B é o valor da indução magnética; I é o comprimento do condutor; v é a velocidade de seu movimento.
Observe que em um condutor que se move em um campo magnético, a EMF de indução aparece apenas quando cruza as linhas do campo magnético. Se o condutor se move ao longo das linhas de força, então nenhuma EMF é induzida. Por esta razão, a fórmula se aplica apenas nos casos em que o movimento do condutor é direcionado perpendicularmente às linhas de força.
A direção da EMF induzida e da corrente elétrica no condutor é determinada pela direção do movimento do próprio condutor. Para identificar a direção, a regra da mão direita foi desenvolvida. Se você segurar a palma da mão direita para que as linhas de campo entrem em sua direção e o polegar indique a direção do movimento do condutor, os quatro dedos restantes indicam a direção da fem induzida e a direção da corrente elétrica no condutor.
Bobina rotativa
O funcionamento do gerador de corrente elétrica é baseado na rotação da bobina em um fluxo magnético, onde há um certo número de voltas. A EMF é induzida em um circuito elétrico sempre quando é atravessada por um fluxo magnético, com base na fórmula do fluxo magnético Ф \u003d B x S x cos α (indução magnética multiplicada pela área da superfície pela qual o fluxo magnético passa e o cosseno do ângulo formado pelo vetor de direção e as linhas planas perpendiculares).
De acordo com a fórmula, F é afetado por mudanças nas situações:
- quando o fluxo magnético muda, o vetor de direção muda;
- a área delimitada pelo contorno muda;
- mudanças de ângulo.
É permitido induzir EMF com um ímã estacionário ou uma corrente constante, mas simplesmente quando a bobina gira em torno de seu eixo dentro do campo magnético. Neste caso, o fluxo magnético muda à medida que o ângulo muda. A bobina no processo de rotação cruza as linhas de força do fluxo magnético, como resultado, aparece um EMF. Com rotação uniforme, ocorre uma mudança periódica no fluxo magnético. Além disso, o número de linhas de campo que se cruzam a cada segundo se torna igual aos valores em intervalos regulares.
Na prática, em geradores de corrente alternada, a bobina permanece estacionária e o eletroímã gira em torno dela.
Auto-indução EMF
Quando uma corrente elétrica alternada passa pela bobina, é gerado um campo magnético alternado, caracterizado por um fluxo magnético variável que induz um EMF. Esse fenômeno é chamado de auto-indução.
Devido ao fato de que o fluxo magnético é proporcional à intensidade da corrente elétrica, a fórmula EMF de autoindução se parece com isso:
Ф = L x I, onde L é a indutância, que é medida em H.Seu valor é determinado pelo número de voltas por unidade de comprimento e o valor de sua seção transversal.
Indução mútua
Quando duas bobinas estão localizadas lado a lado, elas observam a EMF de indução mútua, que é determinada pela configuração dos dois circuitos e sua orientação mútua. Com o aumento da separação dos circuitos, o valor da indutância mútua diminui, pois há uma diminuição no fluxo magnético total para as duas bobinas.
Vamos considerar em detalhes o processo de surgimento da indução mútua. Existem duas bobinas, a corrente I1 flui através do fio de uma com N1 espiras, que cria um fluxo magnético e passa pela segunda bobina com número N2 de espiras.
O valor da indutância mútua da segunda bobina em relação à primeira:
M21 = (N2 x F21)/I1.
Valor do fluxo magnético:
F21 = (M21/N2) x I1.
A fem induzida é calculada pela fórmula:
E2 = - N2 x dФ21/dt = - M21x dI1/dt.
Na primeira bobina, o valor da fem induzida:
E1 = - M12 x dI2/dt.
É importante notar que a força eletromotriz provocada pela indução mútua em uma das bobinas é, em qualquer caso, diretamente proporcional à mudança na corrente elétrica na outra bobina.
Então a indutância mútua é considerada igual a:
M12 = M21 = M.
Como consequência, E1 = - M x dI2/dt e E2 = M x dI1/dt. M = K √ (L1 x L2), onde K é o coeficiente de acoplamento entre os dois valores de indutância.
A indutância mútua é amplamente utilizada em transformadores, o que possibilita alterar o valor de uma corrente elétrica alternada. O dispositivo é um par de bobinas que são enroladas em um núcleo comum. A corrente na primeira bobina forma um fluxo magnético variável no circuito magnético e uma corrente na segunda bobina.Com menos espiras na primeira bobina do que na segunda, a tensão aumenta e, consequentemente, com um número maior de espiras no primeiro enrolamento, a tensão diminui.
Além de gerar e transformar energia elétrica, o fenômeno da indução magnética é utilizado em outros dispositivos. Por exemplo, na levitação magnética, os trens se movem sem contato direto com a corrente nos trilhos, mas alguns centímetros mais altos devido à repulsão eletromagnética.
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