Innleiddur rafhreyfikraftur (EMF)
Rafhreyfikraftur (e. induced electromotive force, EMF) er fyrirbæri sem felur í sér myndun spennu eða rafhreyfikrafts í rafleiðara vegna breytilegs segulsviðs sem fer í gegnum hann. Þetta hugtak var fyrst kynnt af Michael Faraday árið 1831 með röð tilrauna sem sýndu fram á að breytilegt segulsvið getur framleitt rafstraum í leiðara. Þessi uppgötvun hleypti af stað byltingu í eðlisfræði og verkfræði, sérstaklega í þróun rafala, spennubreyta og ýmissa annarra rafsegultækja.
Grunnreglur um innleidda rafsegulmögnun
Til að skilja grunnregluna um innleidda rafsegulmögnun verðum við að vísa til lögmáls Faradays um rafsegulörvun. Þetta lögmál segir að „Rafhreyfikrafturinn sem innleiddur er í rafrás er í réttu hlutfalli við breytingarhraða segulflæðisins í gegnum rafrásina.“ Með öðrum orðum, þegar breyting verður á segulsviðinu sem fer í gegnum leiðara, mun það framleiða rafspennu í leiðaranum.
Stærðfræðilega formúlu Faradays-lögmálsins má rita á eftirfarandi hátt:
\[ \mathcal{E} = – \frac{d\Phi_B}{dt} \]
Hvar:
– \(\mathcal{E}\) er örvuð rafsegull (volt)
– \(\Phi_B\) er segulflæðið (Weber)
– \(\frac{d\Phi_B}{dt}\) er breytingarhraði segulflæðis
Neikvæða formerkið í formúlunni táknar lögmál Lenz, sem segir að stefna örvuðu rafsegulflæðisins verði gagnstæð breytingunni á segulflæðinu sem olli því. Þetta er meginreglan um varðveislu orku eins og hún er sett fram í samhengi rafsegulfræði.
Þættir sem hafa áhrif á framkallaða rafsegulbylgju
1. Breytingarhraði segulsviðs
Einn helsti þátturinn sem hefur áhrif á stærð rafsegulbylgjunnar er breytingarhraði segulsviðsins. Því hraðar sem segulsviðið breytist, því meiri er rafsegulbylgjan. Þetta þýðir að tæki sem starfar við háa segulsviðstíðni mun framleiða meiri rafsegulbylgju en tæki sem starfar við hægari tíðni.
2. Fjöldi snúninga vírsins
Fjöldi snúninga vírsins í spólunni hefur einnig veruleg áhrif á innleidda rafsegultruflanir (e. electromagnetic power). Ef þú tvöfaldar fjölda snúninga vírsins, tvöfaldar þú innleidda rafsegultruflanir, því hver snúningur leggur sitt af mörkum til viðbótar við heildarspennuna sem myndast.
3. Þversniðsflatarmál spólunnar
Þversniðsflatarmál spólunnar sem verður fyrir segulsviðinu hefur einnig áhrif á stærð rafsegulsviðsins sem myndast. Því stærra sem þversniðsflatarmálið er, því meira segulflæði getur farið í gegnum spóluna og þetta mun auka rafsegulsviðið.
4. Segulsviðsstyrkur
Styrkur segulsviðsins sjálfs hefur einnig mikil áhrif. Sterkara segulsvið mun valda meiri breytingu á segulflæði og þar af leiðandi hærri rafsegulmáttarkrafti.
Notkun innleiddra rafsegulbylgna í daglegu lífi
1. Rafmagnsrafstöð
Meginreglan um örvaða rafsegulmátt er mikið notuð í rafstöðvum. Inni í rafstöð snýst segulsvið umhverfis vírspólu, eða vírspólan snýst innan segulsviðs. Þessi snúningur veldur stöðugri breytingu á segulflæði í gegnum spóluna og framleiðir þannig örvaða rafsegulmátt sem hægt er að breyta í rafmagn í ýmsum tilgangi.
2. Spennubreytir
Spennubreytir er tæki sem notað er til að auka eða minnka spennuna í raforkudreifikerfi. Spennubreytar virka samkvæmt meginreglunni um örvaða rafsegulmögnun (EMF), þar sem breytilegur rafstraumur í aðalspólinum framleiðir breytilegt segulsvið sem veldur spennu í aukaspólinum.
3. Spóluofn
Í spanhelluborðum er meginreglan um rafsegulmögnun spanhelluborða notuð til að hita potta og pönnur beint. Rafstraumur rennur um spólu undir helluborðinu og býr til breytilegt segulsvið. Þetta segulsvið veldur rafstraumi í pottinum eða pönnunni úr járnsegulmagnað efni og myndar hita til eldunar.
4. Annar rafeindabúnaður
Innleidd rafsegultruflanir eru einnig notaðar í ýmsum öðrum rafeindatækjum eins og kraftmiklum hljóðnemum, hátalurum og segulskynjurum. Kraftmikill hljóðnemi breytir til dæmis hljóðbylgjum í rafmerki með því að breyta segulsviðum sem valda rafsegultruflunum í vírspólu.
Einföld tilraun til að fylgjast með framkallaðri rafsegulbylgju
Efni og verkfæri
1. Vírspólur (nokkrar snúningar)
2. Stöngsegul
3. Næmur galvanómælir eða voltmælir
Málsmeðferð
1. Tengdu enda vírspólunarinnar við galvanómetro eða spennumæli.
2. Færðu stangsegulinn nálægt vírspólinum og fylgstu með breytingunum í galvanómetrinum.
3. Færðu stangsegulinn hratt að og frá vírspólinum og fylgstu með breytingunum í galvanómetrinum.
Í þessari tilraun muntu taka eftir því að í hvert skipti sem segullstangirnar eru færðar sýnir nálina á galvanómeterinu framkallaða spennu. Þetta gefur til kynna að breytilegt segulsvið í kringum vírspóluna framleiðir framkallaða rafsegult magn (EMF).
Niðurstaða
Innleidd rafsegultöfl eru grundvallarfyrirbæri í eðlisfræði og rafsegulfræði sem hefur ruddið brautina fyrir ýmsar tækninýjungar. Grunnreglan á bak við innleidda rafsegultöfl er sú að breytilegt segulsvið getur framkallað rafspennu í leiðara. Þættir eins og breytingarhraði segulsviðsins, fjöldi snúninga vírsins, þversniðsflatarmál spólunnar og styrkleiki segulsviðsins hafa allir áhrif á stærð innleiddu rafsegultöflanna.
Hagnýt notkun á rafsegulbylgjum (e. induced elektricity felling) er að finna í rafstöðvum, spennubreytum, spanhellum og ýmsum öðrum rafeindatækjum. Að skilja og beita meginreglum rafsegulbylgna auðgar ekki aðeins vísindin heldur knýr einnig áfram tækniframfarir sem einfalda daglegt líf.
Með því að skilja meginreglur og notkun innleiddra rafsegulbylgna getum við ekki aðeins metið núverandi tækniframfarir heldur einnig lagt okkar af mörkum til þróunar frekari nýjunga í framtíðinni.
