ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენი არის ფენომენი, რომელიც მოიცავს ელექტრომამოძრავებელი ძალის ან ძაბვის წარმოქმნას მაგნიტურ ველში მდებარე სხეულში, რომელიც მუდმივად იცვლება. ელექტრომაგნიტური ინდუქციის შედეგად ელექტრომოძრავი ძალა ასევე წარმოიქმნება, თუ სხეული მოძრაობს სტატიკურ და არაერთგვაროვან მაგნიტურ ველში, ან ბრუნავს მაგნიტურ ველში ისე, რომ მისი ხაზები, რომლებიც კვეთენ დახურულ მარყუჟს, იცვლება.
ინდუცირებული ელექტრული დენი
„ინდუქციის“ცნებაში იგულისხმება პროცესის გაჩენა სხვა პროცესის ზემოქმედების შედეგად. მაგალითად, ელექტრული დენი შეიძლება იყოს გამოწვეული, ანუ ის შეიძლება გამოჩნდეს მაგნიტური ველის სპეციალური გზით გამტარის გამოვლენის შედეგად. ასეთ ელექტრულ დენს ინდუცირებულს უწოდებენ. ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის შედეგად ელექტრული დენის წარმოქმნის პირობები განხილულია სტატიაში.
მაგნიტური ველის კონცეფცია
ადრეელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის შესწავლის დასაწყებად საჭიროა გავიგოთ რა არის მაგნიტური ველი. მარტივი სიტყვებით რომ ვთქვათ, მაგნიტური ველი არის სივრცის რეგიონი, რომელშიც მაგნიტური მასალა ავლენს თავის მაგნიტურ ეფექტებს და თვისებებს. სივრცის ეს რეგიონი შეიძლება გამოისახოს ხაზების გამოყენებით, რომელსაც მაგნიტური ველის ხაზები ეწოდება. ამ ხაზების რაოდენობა წარმოადგენს ფიზიკურ რაოდენობას, რომელსაც ეწოდება მაგნიტური ნაკადი. მაგნიტური ველის ხაზები დახურულია, ისინი იწყება მაგნიტის ჩრდილოეთ პოლუსზე და მთავრდება სამხრეთით.
მაგნიტურ ველს აქვს უნარი იმოქმედოს მაგნიტური თვისებების მქონე ნებისმიერ მასალაზე, როგორიცაა ელექტრული დენის რკინის გამტარებლები. ამ ველს ახასიათებს მაგნიტური ინდუქცია, რომელიც აღინიშნება B და იზომება ტესლაში (T). მაგნიტური ინდუქცია 1 T არის ძალიან ძლიერი მაგნიტური ველი, რომელიც მოქმედებს 1 ნიუტონის ძალით 1 კულონის მუხტზე, რომელიც დაფრინავს მაგნიტური ველის ხაზებზე პერპენდიკულურად 1 მ/წმ სიჩქარით, ანუ 1 ტ.=1 Ns / (mCl).
ვინ აღმოაჩინა ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენი?
ელექტრომაგნიტური ინდუქცია, რომლის პრინციპზეც მრავალი თანამედროვე მოწყობილობაა დაფუძნებული, აღმოაჩინეს XIX საუკუნის 30-იანი წლების დასაწყისში. ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის აღმოჩენა ჩვეულებრივ მიეწერება მაიკლ ფარადეის (აღმოჩენის თარიღი - 1831 წლის 29 აგვისტო). მეცნიერი დაფუძნებული იყო დანიელი ფიზიკოსისა და ქიმიკოსის ჰანს ოერსტედის ექსპერიმენტების შედეგებზე, რომელმაც აღმოაჩინა, რომ გამტარი, რომლის მეშვეობითაც ელექტრული დენი მიედინება, ქმნისმაგნიტური ველი თავის გარშემო, ანუ ის იწყებს მაგნიტური თვისებების ჩვენებას.
ფარადეიმ, თავის მხრივ, აღმოაჩინა ორსტედის მიერ აღმოჩენილი ფენომენის საპირისპირო. მან შენიშნა, რომ ცვალებადი მაგნიტური ველი, რომელიც შეიძლება შეიქმნას გამტარში ელექტრული დენის პარამეტრების შეცვლით, იწვევს პოტენციური სხვაობის გამოჩენას ნებისმიერი დენის გამტარის ბოლოებში. თუ ეს ბოლოები დაკავშირებულია, მაგალითად, ელექტრული ნათურის საშუალებით, მაშინ ელექტრული დენი გადავა ასეთ წრედში.
შედეგად ფარადეიმ აღმოაჩინა ფიზიკური პროცესი, რის შედეგადაც ელექტრული დენი ჩნდება გამტარში მაგნიტური ველის ცვლილების გამო, რაც ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენია. ამავდროულად, ინდუცირებული დენის ფორმირებისთვის არ აქვს მნიშვნელობა რა მოძრაობს: მაგნიტური ველი თუ თავად გამტარი. ამის ჩვენება მარტივად შეიძლება ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენზე შესაბამისი ექსპერიმენტის ჩატარებით. ასე რომ, როდესაც მაგნიტი მოვათავსეთ ლითონის სპირალის შიგნით, ვიწყებთ მის გადაადგილებას. თუ სპირალის ბოლოებს ელექტრული დენის გარკვეული ინდიკატორის საშუალებით დააკავშირებთ წრედში, შეგიძლიათ ნახოთ დენის გამოჩენა. ახლა თქვენ უნდა დატოვოთ მაგნიტი მარტო და გადაიტანოთ სპირალი მაღლა და ქვევით მაგნიტთან შედარებით. ინდიკატორი ასევე აჩვენებს დენის არსებობას წრედში.
ფარადეის ექსპერიმენტი
ფარადეის ექსპერიმენტები შედგებოდა გამტართან და მუდმივ მაგნიტთან მუშაობაში. მაიკლ ფარადეიმ პირველად აღმოაჩინა, რომ როდესაც გამტარი მოძრაობს მაგნიტური ველის შიგნით, პოტენციური განსხვავება წარმოიქმნება მის ბოლოებში. მოძრავი დირიჟორი იწყებს მაგნიტური ველის ხაზების გადაკვეთას, რაც სიმულაციას ახდენსამ ველის შეცვლის ეფექტი.
მეცნიერმა აღმოაჩინა, რომ პოტენციური განსხვავების დადებითი და უარყოფითი ნიშნები დამოკიდებულია იმ მიმართულებით, რომლითაც მოძრაობს გამტარი. მაგალითად, თუ გამტარი ამაღლებულია მაგნიტურ ველში, მაშინ მიღებულ პოტენციურ განსხვავებას ექნება +- პოლარობა, მაგრამ თუ ეს გამტარი დაბლა იქნება, მაშინ უკვე მივიღებთ -+ პოლარობას. პოტენციალების ნიშნის ეს ცვლილებები, რომელთა განსხვავებას ელექტრომამოძრავებელი ძალა (EMF) ეწოდება, იწვევს ალტერნატიული დენის დახურულ წრეში გამოჩენას, ანუ დენს, რომელიც მუდმივად ცვლის მიმართულებას საპირისპიროდ.
ელექტრომაგნიტური ინდუქციის მახასიათებლები აღმოჩენილი ფარადეის მიერ
ვიცოდეთ ვინ აღმოაჩინა ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენი და რატომ არის ინდუცირებული დენი, ჩვენ განვმარტავთ ამ ფენომენის ზოგიერთ მახასიათებელს. ასე რომ, რაც უფრო სწრაფად გადაადგილდებით გამტარს მაგნიტურ ველში, მით უფრო დიდი იქნება ინდუცირებული დენის მნიშვნელობა წრედში. ფენომენის კიდევ ერთი თავისებურება შემდეგია: რაც უფრო დიდია ველის მაგნიტური ინდუქცია, ანუ რაც უფრო ძლიერია ეს ველი, მით მეტია პოტენციური სხვაობა, რომელიც მას შეუძლია შექმნას ველში გამტარის გადაადგილებისას. თუ გამტარი ისვენებს მაგნიტურ ველში, მასში EMF არ წარმოიქმნება, რადგან არ არის ცვლილება მაგნიტური ინდუქციის ხაზებში, რომლებიც კვეთს გამტარს.
ელექტრული დენის მიმართულება და მარცხენა ხელის წესი
ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის შედეგად წარმოქმნილ ელექტრული დენის გამტარში მიმართულების დასადგენად, შეგიძლიათგამოიყენეთ ეგრეთ წოდებული მარცხენა ხელის წესი. მისი ფორმულირება შეიძლება შემდეგნაირად: თუ მარცხენა ხელი ისეა განთავსებული, რომ მაგნიტური ინდუქციის ხაზები, რომლებიც იწყება მაგნიტის ჩრდილოეთ პოლუსიდან, შევიდეს ხელისგულში, ხოლო წინ წამოწეული ცერა თითი მიმართულია გამტარის მოძრაობის მიმართულებით. მაგნიტის ველი, შემდეგ მარცხენა ხელის დარჩენილი ოთხი თითი მიუთითებს მოძრაობის მიმართულებაზე, რომელიც გამოწვეულია დირიჟორში.
არსებობს ამ წესის კიდევ ერთი ვერსია, ის ასეთია: თუ მარცხენა ხელის საჩვენებელი თითი მიმართულია მაგნიტური ინდუქციის ხაზების გასწვრივ, ხოლო ამობურცული ცერა თითი მიმართულია გამტარის მიმართულებით, მაშინ შუა თითი ხელისგულზე 90 გრადუსით მიბრუნებული მიუთითებს გამტარში გაჩენილი დენის მიმართულებაზე.
თვითინდუქციის ფენომენი
ჰანს კრისტიან ოერსტედმა აღმოაჩინა მაგნიტური ველის არსებობა დირიჟორის ან კოჭის გარშემო დენით. მეცნიერმა ასევე დაადგინა, რომ ამ ველის მახასიათებლები პირდაპირ კავშირშია დენის სიძლიერესთან და მის მიმართულებასთან. თუ კოჭში ან გამტარში დენი ცვალებადია, მაშინ ის წარმოქმნის მაგნიტურ ველს, რომელიც არ იქნება სტაციონარული, ანუ შეიცვლება. თავის მხრივ, ეს ალტერნატიული ველი გამოიწვევს ინდუცირებული დენის გაჩენას (ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენი). ინდუქციური დენის მოძრაობა ყოველთვის იქნება საპირისპირო ალტერნატიული დენისა, რომელიც ცირკულირებს გამტარში, ანუ ის გაუძლებს დირიჟორში ან კოჭში დენის მიმართულების თითოეულ ცვლილებას. ამ პროცესს თვითინდუქცია ეწოდება. შედეგად მიღებული ელექტრული განსხვავებაპოტენციალს ეწოდება თვითინდუქციის EMF.
გაითვალისწინეთ, რომ თვითინდუქციის ფენომენი ჩნდება არა მხოლოდ დენის მიმართულების ცვლილებისას, არამედ მაშინაც, როდესაც ის იცვლება, მაგალითად, როდესაც იზრდება წრედში წინააღმდეგობის შემცირების გამო.
რეზისტენტობის ფიზიკური აღწერისთვის, რომელსაც ახორციელებს დენის ნებისმიერი ცვლილება წრეში თვითინდუქციის გამო, შემოიღეს ინდუქციურობის ცნება, რომელიც იზომება ჰენრიში (ამერიკელი ფიზიკოსის ჯოზეფ ჰენრის პატივსაცემად). ერთი ჰენრი არის ისეთი ინდუქციური ინდუქცია, რომლის დროსაც, როდესაც დენი იცვლება 1 ამპერით 1 წამში, EMF წარმოიქმნება თვითინდუქციის პროცესში, რომელიც უდრის 1 ვოლტს.
ალტერნატიული დენი
როდესაც ინდუქტორი იწყებს ბრუნვას მაგნიტურ ველში, ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის შედეგად, ის წარმოქმნის ინდუცირებულ დენს. ეს ელექტრული დენი ცვალებადია, რაც ნიშნავს, რომ ის სისტემატურად იცვლის მიმართულებას.
ალტერნატიული დენი უფრო ხშირია, ვიდრე პირდაპირი დენი. ასე რომ, ბევრი მოწყობილობა, რომელიც მუშაობს ცენტრალური ელექტრო ქსელიდან, იყენებს ამ ტიპის დენს. ალტერნატიული დენის გამოწვევა და ტრანსპორტირება უფრო ადვილია, ვიდრე პირდაპირი დენი. როგორც წესი, საყოფაცხოვრებო ალტერნატიული დენის სიხშირე არის 50-60 ჰც, ანუ 1 წამში მისი მიმართულება იცვლება 50-60-ჯერ.
ალტერნატიული დენის გეომეტრიული გამოსახულება არის სინუსოიდური მრუდი, რომელიც აღწერს ძაბვის დამოკიდებულებას დროზე. სინუსოიდური მრუდის სრული პერიოდი საყოფაცხოვრებო დენისთვის არის დაახლოებით 20 მილიწამი. თერმული ეფექტის მიხედვით ალტერნატიული დენი დენის მსგავსიაDC, რომლის ძაბვა არის Umax/√2, სადაც Umax არის მაქსიმალური ძაბვა AC სინუსოიდულ მრუდზე.
ელექტრომაგნიტური ინდუქციის გამოყენება ტექნოლოგიაში
ელექტრომაგნიტური ინდუქციის ფენომენის აღმოჩენამ ნამდვილი ბუმი გამოიწვია ტექნოლოგიების განვითარებაში. ამ აღმოჩენამდე ადამიანებს ელექტროენერგიის გამომუშავება მხოლოდ შეზღუდული რაოდენობით შეეძლოთ ელექტრო ბატარეების გამოყენებით.
ამჟამად, ეს ფიზიკური ფენომენი გამოიყენება ელექტრულ ტრანსფორმატორებში, გამათბობლებში, რომლებიც ინდუცირებულ დენს სითბოდ გარდაქმნიან და ელექტროძრავებსა და მანქანის გენერატორებში.
