Skip to content
Graad 11 · Fisika · Les 7

Elektromagnetiese Induksie

Verstaan hoe veranderende magnetiese vloed 'n EMK induseer, pas die wette van Faraday en Lenz toe, en ontleed die werking van generators en transformators.

Kurrikulum:

Magnetiese Veld en Vloed

'n Magnetiese veld B (gemeet in Tesla, T) het veldlyne wat van die Noordpool na die Suidpool buite 'n magneet loop. 'n Draad wat stroom dra, produseer 'n sirkelvormige magnetiese veld daarom (regterhandreël: duim wys in die rigting van die stroom, vingers krul in die rigting van B).

Magnetiese vloed Φ meet hoeveel magnetiese veld deur 'n oppervlakte gaan:

Φ = BAcosθ
SimboolGrootheidEenheid
ΦMagnetiese vloedWeber (Wb)
BMagnetiese veldsterkteTesla (T)
AOppervlakte van lus loodreg op Bm²
θHoek tussen B en die normaal tot die oppervlakgrade / rad
Sleutelinsig: Wanneer θ = 0° (B loodreg op die vlak van die lus, d.w.s. parallel aan die normaal), is die vloed maksimum: Φ = BA. Wanneer θ = 90° (B parallel aan die vlak van die lus), is die vloed nul: Φ = 0.

Wet van Faraday van Elektromagnetiese Induksie

'n EMK word in 'n geleier geïnduseer wanneer die magnetiese vloed daardeur verander. Die grootte van die geïnduseerde EMK is eweredig aan die tempo van verandering van vloed en die aantal windings:

ε = −N ΔΦ/Δt

Die negatiewe teken weerspieël die Wet van Lenz (sien onder). Vir CAPS-doeleindes gebruik ons dikwels die grootte: |ε| = NΔΦ/Δt.

Maniere om vloed te verander en EMK te induseer:

Om die geïnduseerde EMK te verhoog: verhoog N (meer windings), verhoog B (sterker magneet), verminder Δt (beweeg vinniger), verhoog A (groter spoel).

Wet van Lenz

Die geïnduseerde stroom vloei in 'n rigting sodanig dat sy magnetiese effek die verandering in vloed wat dit veroorsaak het, teenstaan. Dit is 'n gevolg van die wet van behoud van energie.

Uitgewerkte voorbeeld: 'n Staafmagneet se Noordpool word van links na 'n spoel toe gestoot. Die vloed deur die spoel neem toe (B wys regs die spoel in, Φ neem toe). Volgens die Wet van Lenz moet die geïnduseerde stroom 'n magnetiese veld skep wat hierdie toename teenstaan — dus moet die geïnduseerde B na links wys (uit die linkerkant uit). Deur die regterhandreël te gebruik, vloei die geïnduseerde stroom antikloksgewys wanneer van links af besigtig (die linkerkant tree op as 'n Noordpool om die inkomende magneet af te stoot). Dit beteken jy moet arbeid verrig om die magneet in te stoot — in ooreenstemming met behoud van energie.

Wisselstroomgenerator

'n Spoel van N windings, oppervlakte A, draai teen hoeksnelheid ω in 'n uniforme magnetiese veld B. Die geïnduseerde EMK wissel sinusvormig:

ε = NBAω sinωt
Piek-EMK: ε_maks = NBAω

Transformators

'n Transformator gebruik elektromagnetiese induksie om wisselstroomspanning te verander. 'n Wisselstroom in die primêre spoel skep 'n veranderende vloed in die ysterkern, wat 'n EMK in die sekondêre spoel induseer.

Vs/Vp = Ns/Np
VpIp = VsIs     (ideale transformator — 100% doeltreffend)
Drywingsverlies in kabels: P_verlies = I²R. Verdubbeling van spanning (opgaande transformator) halveer stroom → drywingsverlies verminder tot een kwart.
IEB-uitbreiding — Terug-EMK, Selfinduktansie en Driefase-Wisselstroom

Terug-EMK in motors: 'n Motor se draaiende spoel tree ook op as 'n generator, en produseer 'n terug-EMK (ε_terug) wat die toevoerspanning teenstaan. Die netto spanning wat die stroom aandryf is V_toevoer − ε_terug. By aanvang is ε_terug = 0, dus is die stroom die hoogste; soos die motor vinniger draai, neem ε_terug toe en die stroom af. As die motor vashaak, val ε_terug na nul en kan die spoel oorverhit.

Selfinduktansie L (eenheid: Henry, H): 'n Spoel teenstaan veranderinge in sy eie stroom deur 'n terug-EMK te induseer. ε = −L(ΔI/Δt). Energie gestoor in induktor: U = ½LI².

Driefase-wisselstroom: Drie spoele op 120°-intervalle produseer drie sinusvormige EMK's, elk 120° uit fase. Gekombineerde drywing is konstant (nie polsend nie) — meer doeltreffend vir industriële motors en langafstand-kragoordrag.

Voorspel eers: As die magneet vinniger beweeg, sal die geïnduseerde emk groter, kleiner of dieselfde wees? Toets dit dan: Verander die spoed en dan die aantal windings, en hou die meter dop.

Elektromagnetiese Induksie — Magneet en Spoel

Magneet
2.0
1,0 T
5
Intydse lesings
Geïnduseerde EMK
0.00 V
ΔΦ/Δt
0.00 Wb/s
Lenz-rigting
—
0/8
NSC-vrae korrek beantwoord
Bykomende IEB-vrae
Wys alle berekeninge. Vir rigtingvrae, motiveer jou antwoord eksplisiet met behulp van die regterhandreël of die Wet van Lenz.
Vraag 1
'n Reghoekige spoel van 40 windings het 'n oppervlakte van 0,025 m². Dit word in 'n uniforme magnetiese veld van 0,8 T geplaas met die vlak van die spoel op 30° tot die veldlyne (d.w.s. θ = 60° tussen B en die normaal). Bereken die magnetiese vloed deur die spoel en die totale vloedkoppeling (NΦ).
Vraag 2
'n Spoel van 200 windings ondergaan 'n verandering in magnetiese vloed van 0,05 Wb na 0,02 Wb in 0,04 s. (a) Bereken die grootte van die geïnduseerde EMK. (b) Neem die vloed toe of af? (c) Gee aan of dit energie voorstel wat deur die spoel geabsorbeer of vrygestel word, en verduidelik met behulp van die Wet van Lenz.
Vraag 3
'n Staafmagneet word na 'n sirkelvormige spoel beweeg sodat die Noordpool van regs af binnekom. (a) Gee aan of die vloed deur die spoel toeneem of afneem. (b) Gebruik die Wet van Lenz om die rigting van die geïnduseerde stroom in die spoel te bepaal (kloksgewys of antikloksgewys wanneer van regs af besigtig). (c) Teken 'n diagram wat die geïnduseerde magnetiese pole op die vlakke van die spoel toon en verduidelik waarom dit die beweging van die magneet teenstaan.
Vraag 4
'n Opgaande transformator het 500 primêre windings en 2 000 sekondêre windings. Die primêre spoel word aan 'n 230 V-wisselstroomtoevoer gekoppel. (a) Bereken die sekondêre spanning. (b) As 'n 40 Ω-las aan die sekondêre spoel gekoppel word, bereken die sekondêre stroom en primêre stroom. (c) Verifieer dat drywing behoue bly (P_primêr = P_sekondêr).
Vraag 5
Verduidelik waarom hoëspannings-transmissielyne gebruik word om elektrisiteit oor lang afstande te dra. Sluit in jou antwoord: (a) gee die verhouding tussen transmissiespanning en stroom, (b) verduidelik die effek op drywingsverliese in die kabel deur die formule P = I²R te gebruik, en (c) gee een nadeel van baie hoëspanning-transmissie.
Vraag 6
'n Staafmagneet word gestadig na 'n spoel van 60 windings gestoot, en dan stilgehou net binne-in dit. Die magnetiese vloed deur EEN winding van die spoel is op vier oomblikke aangeteken:

Tyd (s)Vloed per winding, Φ (Wb)
0.000.010
0.050.030
0.100.055
0.150.055

(a) Bereken die tempo van verandering van vloed, ΔΦ/Δt, tussen t = 0,00 s en t = 0,10 s. (2 punte)
(b) Gebruik N = 60 om die grootte van die geïnduseerde EMK gedurende hierdie interval te bereken. (2 punte)
(c) Verduidelik, met verwysing na die data, waarom die geïnduseerde EMK nul is tussen t = 0,10 s en t = 0,15 s, alhoewel die vloed self steeds 0,055 Wb (nie nul nie) is gedurende hierdie tydperk. (2 punte)