Une application pratique de la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique
Le mot "induction" en russe signifie les processus d'excitation, de direction, de création de quelque chose. En génie électrique, ce terme est utilisé depuis plus de deux siècles.
Après avoir lu les publications de 1821 décrivant les expériences du savant danois Oersted sur les déviations d'une aiguille aimantée à proximité d'un conducteur transportant un courant électrique, Michael Faraday se fixe la tâche : convertir le magnétisme en électricité.
Après 10 ans de recherche, il a formulé la loi fondamentale de l'induction électromagnétique, expliquant qu'une force électromotrice est induite dans toute boucle fermée. Sa valeur est déterminée par le taux de variation du flux magnétique pénétrant dans la boucle considérée, mais pris avec un signe moins.
Transmission d'ondes électromagnétiques à distance
La première supposition qui est venue à l'esprit du scientifique n'a pas été couronnée de succès pratique.
Il a placé deux fils fermés côte à côte.Près de l'un, j'ai installé une aiguille magnétique comme indicateur du courant qui passe, et dans l'autre fil, j'ai donné une impulsion à partir d'une puissante source galvanique de l'époque : un pôle de volt.
Le chercheur a émis l'hypothèse qu'avec une impulsion de courant dans le premier circuit, le champ magnétique changeant induirait un courant dans le deuxième fil, qui dévierait l'aiguille magnétique. Mais le résultat s'est avéré négatif - l'indicateur ne fonctionne pas. Au contraire, il manquait de sensibilité.
Le cerveau du scientifique prévoit la création et la transmission d'ondes électromagnétiques à distance, qui sont maintenant utilisées dans la radiodiffusion, la télévision, le contrôle sans fil, les technologies Wi-Fi et des dispositifs similaires. Il était simplement frustré par la base élémentaire imparfaite des appareils de mesure de l'époque.
La production d'électricité
Après une mauvaise expérience, Michael Faraday a changé les conditions de l'expérience.
Pour l'expérience, Faraday a utilisé deux bobines en boucle fermée. Dans le premier circuit, il a alimenté un courant électrique à partir d'une source, et dans le second, il a observé l'apparition d'un EMF. Le courant traversant les spires de la bobine #1 crée un flux magnétique autour de la bobine, pénètre dans la bobine #2 et y forme une force électromotrice.
Au cours de l'expérience de Faraday :
- activer une impulsion pour fournir une tension au circuit avec des bobines fixes ;
- lorsque le courant était appliqué, il introduisait la bobine supérieure dans la bobine inférieure;
- fixez en permanence la bobine n° 1 et y introduisez la bobine n° 2 ;
- changé la vitesse de mouvement des bobines les unes par rapport aux autres.
Dans tous ces cas, il a observé la manifestation de l'induction EMF dans la deuxième bobine. Et avec seulement un courant continu traversant l'enroulement n° 1 et les bobines fixes, il n'y avait pas de force électromotrice.
Le scientifique a déterminé que l'EMF induit dans la deuxième bobine dépend de la vitesse à laquelle le flux magnétique change. Il est proportionnel à sa taille.
Le même schéma se manifeste pleinement lors du passage d'une boucle fermée lignes de champ magnétique d'un aimant permanent. Sous l'influence des champs électromagnétiques, un courant électrique est généré dans le fil.
Le flux magnétique dans le cas considéré change dans la boucle Sk créée par un circuit fermé.
Ainsi, le développement créé par Faraday a permis de placer un cadre conducteur tournant dans un champ magnétique.
Ensuite, il était constitué d'un grand nombre de spires fixées dans des roulements rotatifs. Aux extrémités de la bobine, des bagues collectrices et des brosses glissant dessus étaient installées, et une charge était connectée via les bornes du boîtier. Le résultat est un alternateur moderne.
Sa conception plus simple est créée lorsque la bobine est fixée sur un boîtier fixe et que le système magnétique commence à tourner. Dans ce cas, la méthode de génération des courants est due à induction électromagnétique en aucun cas violé.
Le principe de fonctionnement des moteurs électriques
La loi de l'induction électromagnétique, dont Michael Faraday a été le pionnier, permet une variété de conceptions de moteurs électriques. Ils ont une structure similaire aux générateurs : un rotor et un stator mobiles qui interagissent entre eux en raison de champs électromagnétiques rotatifs.
Le courant électrique ne traverse que l'enroulement du stator du moteur électrique. Il induit un flux magnétique qui affecte le champ magnétique du rotor. En conséquence, des forces apparaissent qui font tourner l'arbre du moteur. Voir sur ce sujet — Le principe de fonctionnement et le dispositif du moteur électrique
Transformer l'électricité
Michael Faraday a déterminé l'apparition d'une force électromotrice induite et d'un courant induit dans une bobine voisine lorsque le champ magnétique dans la bobine voisine changeait.
Le courant dans la bobine voisine est induit lorsque le circuit de commutation est activé dans la bobine 1 et est toujours présent pendant le fonctionnement du générateur à la bobine 3.
Le fonctionnement de tous les transformateurs modernes est basé sur cette propriété, appelée induction mutuelle.
Les transformateurs, en raison de l'induction mutuelle, transfèrent l'énergie d'un champ électromagnétique alternatif d'une bobine à une autre, de sorte qu'un changement se produit, une transformation de la valeur de la tension à ses bornes d'entrée et de sortie.
Le rapport du nombre de tours dans les enroulements détermine le coefficient de transformation et l'épaisseur du fil, la construction et le volume du matériau de base - la valeur de la puissance transmise, le courant de fonctionnement.
Fonctionnement des inducteurs
La manifestation de l'induction électromagnétique est observée dans la bobine lorsque la valeur du courant qui la traverse change. Ce processus est appelé auto-induction.
Lorsque l'interrupteur est activé dans le schéma ci-dessus, le courant induit modifie le caractère de l'augmentation linéaire du courant de fonctionnement dans le circuit, ainsi que lors de la désactivation.
Lorsqu'une tension non constante mais alternative est appliquée au fil enroulé dans la bobine, la valeur du courant, réduite de la résistance inductive, la traverse.L'énergie d'auto-induction déphase le courant par rapport à la tension appliquée.
Ce phénomène est utilisé dans les selfs conçues pour réduire les courants importants qui se produisent dans certaines conditions de fonctionnement. En particulier, de tels dispositifs sont utilisés dans le circuit d'allumage des lampes fluorescentes.
La caractéristique de la conception du circuit magnétique du starter est la découpe des plaques, qui est créée pour augmenter encore la résistance magnétique au flux magnétique en raison de la formation d'un entrefer.
Les bobines d'arrêt à position de circuit magnétique divisée et réglable sont utilisées dans de nombreux appareils radio et électriques. Très souvent, ils peuvent être trouvés dans la construction de transformateurs de soudage. Ils réduisent l'amplitude de l'arc électrique traversant l'électrode à la valeur optimale.
Fours à induction
Le phénomène d'induction électromagnétique se manifeste non seulement dans les fils et les bobines, mais également à l'intérieur de tout objet métallique massif. Les courants qui y sont induits sont généralement appelés courants de Foucault.Lors du fonctionnement des transformateurs et des selfs, ils provoquent un échauffement du circuit magnétique et de toute la structure.
Pour éviter ce phénomène, les noyaux sont constitués de tôles minces et isolés par une couche de vernis, qui empêche le passage des courants induits.
Dans les structures de chauffage, les courants de Foucault ne limitent pas, mais créent les conditions les plus favorables à leur passage. Fours à induction sont largement utilisés dans la production industrielle pour créer des températures élevées.
Appareils de mesure électrotechniques
Une grande classe d'appareils à induction continue de fonctionner en électricité.Les compteurs électriques avec un disque rotatif en aluminium similaire à la construction d'un relais de puissance, les systèmes de cadran d'amortissement, fonctionnent sur le principe de l'induction électromagnétique.
Générateurs magnétiques à gaz
Si, au lieu d'un cadre fermé, un gaz, un liquide ou un plasma conducteur se déplace dans le champ d'un aimant, les charges d'électricité sous l'action des lignes de champ magnétique commenceront à dévier dans des directions strictement définies, formant un courant électrique. Son champ magnétique sur les plaques de contact des électrodes montées induit une force électromotrice. Sous son action, un courant électrique est généré dans le circuit connecté au générateur MHD.
Ainsi, la loi de l'induction électromagnétique se manifeste dans les générateurs MHD.
Il n'y a pas de pièces rotatives compliquées comme le rotor. Cela simplifie la conception, vous permet d'augmenter considérablement la température de l'environnement de travail et en même temps l'efficacité de la production d'électricité. Les générateurs MHD fonctionnent comme des sources de secours ou d'urgence capables de générer des flux importants d'électricité pendant de courtes périodes.
Ainsi, la loi de l'induction électromagnétique, justifiée à un moment donné par Michael Faraday, continue d'être pertinente aujourd'hui.