IDŐBEN VÁLTOZÓ MÁGNESES MEZŐ

Átírás

1 IDŐBE ÁLTOZÓ MÁGESES MEZŐ Az elektromos áram mágneses mezőt kelt maga körül. A mágneses és az elektromos jelenségek tehát kacsolatban vannak egymással. Számos kutatót foglalkoztatott az a gondolat, hogy a jelenséget megfordítsa, vagyis a mágneses mező segítségével elektromos áramot hozzunk létre. A kérdést FARADAY oldotta meg 1831-ben a mozgási és a nyugalmi indukció felfedezésével. eki sikerült előör saját avai erint a mágnességet átalakítani elektromossággá. Úttörő munkássága nyomán jelentek meg a XIX. ázad második felében az elektromos generátorok és a tranformátorok, s indult gyors fejlődésnek az elektromos iar. A MOZGÁSI IDKCIÓ: Ha homogén mágneses mezőben ha az indukcióvonalakra merőlegesen mozgatunk egy vezetőt, akkor a vezető két vége közé kacsolt mérőműer feültséget jelez. Ezt a fezsültséget indukált feültségnek nevezzük. Ha egy tekercs belsejébe mágnesrudat tolunk, akkor a tekercsben feültség indukálódik. A mágnes kihúzásakor ezzel ellentétes feültség keletkezik. A keletkezett indukált feültség nagysága függ: - A tekercs menetámától B - A mozgatás sebességétől v - A mágnes erősségétől A YGALMI IDKCIÓ: Két egymás közelében (esetleg közös vasmagra) helyezett tekercseknél az egyikben folyó áram erősségének megváltozása a másik tekercsben feültséget indukál. Ilyenkor azonban nincs mechanikai mozgatás, ezért ezt a jelenséget nyugalmi indukciónak nevezzük. A mozgási és a nyugalmi indukciót közös elnevezéssel elektromágneses indukciónak nevezzük. A mágneses mező változása tehát elektromos mezőt kelt. A vezeték két vége között mérhető áram az indukált áram. Az indukált áramnak az iránya mindig olyan, hogy akadályozni igyekik az őt létrehozó hatást. (LETZ-törvény 1834) AZ ÖIDKCIÓ: Az önindukció is nyugalmi indukció. Akkor lé fel, ha egy vezetőkörben - egy vagy többmenetű tekercsben az áramerősség időbeli változása folytán magában a tekercsben indukálódik elektromos mező. Az önindukció jelenségét Henry amerikai fizikus fedezte fel 1832-ben. Ha egy zárt vasmagos tekercsből, egy áramforrásból, egy izzólámából és egy kacsolóból zárt áramkört kéítünk, akkor a kacsoló zárásakor az izzó nem kezd el azonnal világítani. Ha a vasmagot kivesük a tekercsből, akkor nem taatalunk ilyen jelenséget. Az áram ki és bekacsolásakor ugráserűen megváltozik a tekercsben az áram erőssége, így a mágneses fluxus is. A Faraday-féle indukciós törvény alaján a tekercsben feültség indukálódik. Lentz törvénye miatt ez a feültség olyan áramot kelt, melynek iránya akadályozza a fluxus változását. Bekacsoláskor ez az indukált áram gátolja a hirtelen áramnövekedést, ezért az áram késve és kevésbé hirtelen indul meg. Kikacsoláskor ez az indukált áram a hirtelen áramcsökkenést akadályozza. Az áram így késve és kevésbé hirtelen űnik meg.

2 A tekercs önindukciójára jellemző mennyiséget önindukciós együtthatónak nevezzük. Jele: L M.e.: H (henry) Az önindukciós együttható függ a tekercset kitöltő anyagtól, a tekercs hosától, 2 A keretmetetétől és menetámától. L = µ l A kísérletben a vasmag nélküli tekercsnél az önindukciós együttható olyan kicsi, hogy az önindukció jelensége nem élelhető. - Ha sötét obában a hősugárzó dugóját kihúzzuk a dugaoló ajzatból, akkor a konnektornál villanás látik. Kikacsoláskor ugyanis áramot üntetünk meg, ami hirtelen fluxuscsökkenéssel jár. Lentz törvénye miatt az indukált áram éen ez ellen dolgozik. Az áramerősség ilyenkor egy illanatra magasabb értékre ugrik, ami egy kis ívkisülést hoz létre. - Az önindukcióból ármazó ikrázást látunk azokon a villanymotorokon, amelyeknek forgórééhez énkefék közvetítésével vezetik az elektromos áramot. Ez a ikrázás káros, mivel elégeti az érintkezési helyeket. A ikrázást úgy üntetik meg, hogy a megakítási helyekhez kondenzátort kacsolnak. Ekkor az önindukciós feültség ikrakézés helyett a kondenzátort tölti fel. - Joseh Henry ( ) amerikai fizikus. Ha egy vízintes atalon fekvő mágnesrúd közelébe egy vasgolyót helyezünk, akkor a mágnes a nyugvó golyót magához vonzza. A golyó gyorsulását a mágneses mező okozza. A mágneses mező munkavégzésre kées, vagyis energiája van. 1 2 E = L I 2 Mágneses mezőben nem csak egyenes vezető vagy tekercs mozoghat. Ha kiterjedt fémtest mozog mágneses mezőben, akkor annak elektronjai a Lorentz erő következtében körályára kényerülnek. Így icike köráramok jönnek létre, melyeknek ösessége adja az örvényáramot. Ezek az örvényáramok egyrét nagy hőhatással járnak együtt (károsítja a tranformátort, a villanymotort), másrét erősen fékezhetik az indukciót kiváltó hatást. Például fékezik a test mozgását. A hő hatás ellen úgy védekeznek, hogy a vasmagokat vaslemezekből alakítják ki, melyeket igetelő lakkréteggel vonnak be. A mozgáscsökkentő hatást kihanálják éldául a műerekben lengéscsillaításra. ÁLTAKOZÓ ÁRAM: Az olyan elektromos áramot, ahol a változás az időnek inuos függvénye, inuosan váltakozó áramnak nevezzük. áltakozó áram ektív értékén annak az egyenáramnak az értékét értjük, amely ugyanazon a fogyatón, ugyanannyi idő alatt, ugyanannyi hőt termel, mint a kérdéses váltakozó áram. Az 1990-es évek közeétől Magyarorágon 230 a hálózati feültség. Ez ektív értéket jelent. A csúcsérték: 325 max Imax = I = 2 2

3 A lezajlott eriódusok ámának és az ehhez ükséges időnek a hányadosa a frekvencia. Jele: f M.e. :Hz A frekvencia latin eredetű ó, jelentése gyakoriság. Magyarorágon a hálózati áram 50 Hzes. Az az időtartam, ami alatt egy eriódus lezajlik a eriódusidő. Jele: T M.e. :s (ekundum) A frekvencia 2π-erese a körfrekvencia. Jele: ω 1 M.e. : = Hz s A hálózati áram körfrekvenciája 314 Hz ÁLTAKOZÓ ÁRAM ELŐÁLLÍTÁSA: Ha homogén mágneses mezőben mérőkeretet forgatunk a B vonalakra merőleges tengely körül, akkor a mozgási indukció alaján a keret két kivezetése közé kacsolt mérőműer feültséget jelez. Ennek a feültségnek egy körülfordulás alatt az iránya és nagysága is állandóan változik. A tengellyel árhuzamos vezetőakaokban indukálódik feültség, a merőleges vezetőakaokon nem. A gyakorlatban a világon mindenütt a váltakozó áramú hálózatok terjedtek el, mert a váltakozó áram iari méretű előállítása és állítása egyerűbb és gazdaságosabb, mint az egyenáramé. A ÁLTAKOZÓ ÁRAM HATÁSAI Hőhatás (elektromos főzőla, hősugárzó) A hőhatás alaján értelmezzük a váltakozó áram ektív értékét. Fényhatás (fénycsövek, izzóláma) Élettani hatás (áramütés) A váltakozó áram a testnedveket nem elektrolizálja, de az idegrenderre kifejtett hatása miatt kedvezőtlenebb és veélyesebb, mint ugyanakkora feültségű egyenáram. A váltakozó áramú ellenálláson a teljesítmény időbeli átlaga, a hatásos, vagy más néven ektív teljesítmény a feültség és az áramerősség közötti fáziseltolódás ögétől is függ. P = I cosϕ cos ϕ a teljesítménytényező. P = I mennyiség a látólagos teljesítmény áltakozó áramú áramkörben az elektromos mező munkája, vagyis a váltakozó áram hőhatása: W = P t Ezt az energiafelhanálást méri a lakásunkban az elektromos fogyatásmérő, a villanyóra.

4 A generátorok működése a mozgási indukción alaul: mechanikai munkavégzéssel áramot fejletünk velük. A motorokban fordított folyamat játódik le: az átfolyó áram hatására a villanymotorok mechanikai munkát végeznek. A váltakozó áramú generátoroknál a mágnes forog, a tekercs nyugalomban van. Az indukált feültséget a nyugvó állóréből kell elvezetni. Ha három ugyanolyan tekercset úgy helyezünk el, hogy tengelyeik 120 -os öget zárjanak be egymással, és köztük egy állandó mágnest forgatunk, akkor a tekercsekhez kacsolt közéállású mérőműer indukált feültséget jelez. A műerek mutatója nem mozog együtt, a feültségek fáziseltérése 120, illetve 240. A három tekercs által olgáltatott feültség nem 6, hanem 4 vagy 3 vezetékkel jut el a fogyatóhoz. A dinamó tulajdonkéen egy egyenáramú generátor. A dinamót JEDLIK ÁYOS ( ) fedezte fel. A villamost, a trolibut, a villanymozdonyt, a háztartási géek nagy réét elektromos motor hajtja. Jedlik Ányos kéítette az első elektromotort, de a találmány Siemens nevéhez fűződik, mert ő tette a gyakorlatban is alkalmazhatóvá. A forgóré tengelyén két réz félgyűrű van. A félgyűrűkkel énkefék érintkeznek. Ezeket vezetékekkel csatlakoztatjuk az áramforráshoz. Áram hatására a forgóré mágnessé válik. Az álló és a forgóré között mágneses kölcsönhatás jön létre. Amikor különnemű ólusok kerülnek egymással embe, akkor a énkefék a másik félgyűrűhöz érnek, a forgórében megfordul a mágneses ólus, így tovább fordul a forgóré. A gyakorlatban hanált motoroknál az állóré is elektromágnes. Mivel az elektromos energia állítása csak akkor gazdaságos, ha a feültség nagy (a magyarorági távvezetékek feültsége 120 k és 750 k között van), így ükség van olyan berendezésre, amely a váltakozó áram feültségének növelésére és csökkentésére olgál. Ezt nevezzük tranformátornak. A tranformátor két tekercsből és egy közös vasmagból áll. Ha az egyik tekercset váltakozó feültségű áramforráshoz kacsoljuk, akkor a vasmagban változó mágneses mező keletkezik, amely a másik tekercsben indukált feültség jön létre. Az áramforráshoz kacsolt tekercset rimer tekercsnek, a másikat ekunder tekercsnek nevezzük. A zárt vasmagú tranformátor megalkotása és az elektromos energia elotásának korerű megvalósítása Déri Miksa, Bláthy Ottó és Ziernowsky Károly magyar mérnökök nevéhez fűződik. (1885)

5 Tesla tervei alaján éítették az első váltakozó áramú erőművet, ahol tranformátort hanáltak. Tesla dolgozott a budaesti Ganz gyárban is. A tranformátorokon a feültségek aránya egyenlő a menetámok arányával. A teljesítmény mindkét tekercsen ugyanakkora. I I I = = = I A nagy távolságok miatt jelentős lehet a távvezeték ellenállásán felléő I 2 R teljesítményveteség, amely a vezetéket melegíti. Ezért kis áramerősségű, de nagy feültségű távvezetékeken végzik a állítást.