Elektromagnetiese Induksie

Elektromagnetiese induksie is die proses waardeur 'n elektromotoriese krag (EMK) — en dus 'n elektriese stroom — in 'n geleier opgewek word deur die magnetiese fluks daardeur te verander. Dit is in 1831 deur Michael Faraday ontdek, en onafhanklik ook deur Joseph Henry omtrent dieselfde tyd.

Die sleutelinsig: jy het nie 'n battery nodig om stroom deur 'n draad te dryf nie. 'n Bewegende magneet naby 'n draadspoel, of 'n spoel wat deur 'n magnetiese veld beweeg, sal 'n stroom induseer. Die relatiewe beweging tussen die geleier en die magnetiese veld is wat saak maak.

Faraday se Wet: Die geïnduseerde EMK in 'n stroombaan is eweredig aan die tempo van verandering van magnetiese fluks deur die stroombaan. Meer veldlyne wat per sekonde gesny word = groter geïnduseerde EMK en stroom.

Hoe om geïnduseerde stroom te verhoog

Gebruik 'n sterker magneet (meer magnetiese fluks).
Beweeg die magneet vinniger ('n groter tempo van fluksverandering).
Verhoog die aantal draaie in die spoel (elke draai dra sy eie geïnduseerde EMK by — hulle tel bymekaar op).
Voeg 'n sagte ysterkern binne die spoel in (konsentreer en versterk die magnetiese veld).

Lenz se Wet

Lenz se Wet stel dat die geïnduseerde stroom altyd in 'n rigting vloei wat die verandering wat dit veroorsaak teenwerk. Dit is 'n gevolg van die behoud van energie — as die geïnduseerde stroom die verandering sou help in plaas daarvan om dit teen te werk, sou jy gratis energie kry.

Lenz se Wet: Geïnduseerde stroom werk die verandering in magnetiese fluks wat dit veroorsaak het, teen.

WS teenoor GS-stroom

Tipe	Beskrywing	Bron
Gelykstroom (GS)	Vloei slegs in een rigting. Konstante grootte (ideaal gesproke).	Batterye, sonselle, GS-generators
Wisselstroom (WS)	Keer herhaaldelik van rigting om teen 'n vaste frekwensie. Vorm 'n sinusvormige golfvorm.	WS-generators (alternators), hoofelektrisiteitstoevoer

Suid-Afrika se hoofstroomtoevoer: 230 V WS teen 50 Hz (50 volledige siklusse per sekonde)

Die WS-generator (Alternator)

'n WS-generator skakel kinetiese (meganiese) energie na elektriese energie om deur elektromagnetiese induksie te gebruik. Die sleutelonderdele daarvan is:

Draadspoel (armatuur): draai binne die magnetiese veld.
Permanente magnete (of elektromagnete): verskaf die magnetiese veld.
Sleepringe: draaiende metaalringe wat elektriese kontak met die spoel handhaaf terwyl dit draai.
Borsels: stilstaande koolstofkontakte wat teen die sleepringe druk om stroom na die eksterne stroombaan te dra.
Eksterne stroombaan: waar die elektriese energie gebruik word.

Terwyl die spoel draai, verander die hoek tussen die spoel en die magnetiese veld voortdurend. Dit veroorsaak dat die magnetiese fluks deur die spoel sinusvormig verander, en 'n wisselende EMK induseer wat 'n wisselstroom dryf. Die resultaat is 'n sinusvormige spanningsgolfvorm.

Vinniger rotasie → hoër frekwensie ÉN hoër piekspanning (meer veldlyne word per sekonde gesny). By SA-kragstasies draai turbines teen 3 000 opw om 50 Hz te produseer.

Die GS-generator

'n GS-generator werk volgens dieselfde beginsel as 'n WS-generator, maar gebruik 'n gesplete-ring-kommutator in plaas van sleepringe. Die kommutator keer die verbindings na die eksterne stroombaan elke halwe draai om, sodat die afvoer altyd in dieselfde rigting is — 'n pulserende GS. 'n Gladde GS-afvoer benodig veelvuldige spoele wat teen verskillende hoeke verskuif is.

Transformators

'n Transformator is 'n toestel wat die spanning van 'n WS-toevoer verander (verhoog of verlaag) deur wederkerige induksie te gebruik — die veranderende magnetiese veld wat deur die primêre spoel geproduseer word, induseer 'n EMK in die sekondêre spoel. Transformators werk slegs met WS, nie GS nie, omdat GS nie 'n voortdurend veranderende magnetiese fluks produseer nie.

'n Transformator bestaan uit:

Primêre spoel (Np draaie): gekoppel aan die toevoerspanning (Vp).
Sekondêre spoel (Ns draaie): lewer die afvoerspanning (Vs).
Sagte ysterkern: kanaliseer die magnetiese veld doeltreffend van die primêre na die sekondêre spoel.

Vp / Vs = Np / Ns · Vp × Ip = Vs × Is (100% doeltreffendheid)

Tipe	Draaiverhouding	Spanningseffek	Stroomeffek	Gebruik
Opgaande transformator	Ns > Np	Vs > Vp (spanning verhoog)	Is < Ip (stroom verlaag)	Kragoordraglyne — hoë spanning, lae stroom verminder energieverlies
Afgaande transformator	Ns < Np	Vs < Vp (spanning verlaag)	Is > Ip (stroom verhoog)	Huishoudelike toevoer — verlaag hoë oordragspanning na veilige 230 V

Waarom teen hoë spanning oordra?

Kraglyne wat elektrisiteit van kragstasies na huise dra, verloor energie as hitte in die drade (P_verlies = I² × R). Deur 'n opgaande transformator te gebruik om spanning te verhoog en stroom te verlaag, word dieselfde hoeveelheid drywing oorgedra met veel minder hitteverlies. 'n Afgaande transformator aan die ander kant verlaag die spanning na 'n veilige vlak vir huise en besighede.

Waarom WS-hoofstroom? WS-spanning kan maklik verhoog of verlaag word deur transformators te gebruik; GS kan nie. Dit maak langafstand-elektriese oordrag baie meer doeltreffend met WS.

Toepassings

Kragstasies: Stoom- of waterturbines dryf WS-generators (alternators) aan.
Nasionale-net-oordraglyne: Opgaande transformators verhoog spanning na ~400 kV vir doeltreffende langafstand-oordrag.
Substasies: Afgaande transformators verlaag spanning vir industriële en huishoudelike gebruik.
Elektriese motors: Die omgekeerde van 'n generator — elektriese energie omgeskakel na kinetiese energie.
Mikrofone: Klankgolwe laat 'n spoel in 'n magnetiese veld vibreer, wat 'n klein wisselende stroom induseer wat die klank verteenwoordig.
Induksie-kookplate: Hoëfrekwensie-WS induseer werwelstrome direk in 'n metaalpot, wat dit sonder 'n oop vlam verhit.

Beantwoord al die vrae in jou oefenboek. Wys alle berekeninge met eenhede. Teken en merk diagramme waar gevra word.

Vraag 1 · (5 punte)

'n Transformator het 'n primêre spoel met 200 draaie en 'n sekondêre spoel met 50 draaie. Die toevoerspanning is 240 V. (a) Is dit 'n opgaande of afgaande transformator? (b) Bereken die afvoerspanning (Vs). (c) As die primêre stroom 0,5 A is, bereken die sekondêre stroom, met die aanname van 100% doeltreffendheid. Wys alle berekeninge.

Vraag 2 · (4 punte)

Teken en merk 'n diagram van 'n WS-generator. Jou diagram moet die volgende insluit en merk: die spoel, die twee magnete (met pole), sleepringe, borsels, en die eksterne stroombaan. Verduidelik in twee sinne hoe dit WS produseer.

Vraag 3 · (4 punte)

Vergelyk WS- en GS-stroom. Doen vir elkeen: (a) definieer dit, (b) beskryf die spanning-tyd-grafiek daarvan, (c) gee 'n voorbeeld van 'n bron. Gee dan EEN rede waarom die nasionale net WS eerder as GS gebruik.

Vraag 4 · (3 punte)

Verduidelik waarom elektrisiteit teen baie hoë spannings oor lang afstande oorgedra word. Verwys in jou antwoord na: die formule vir drywingsverlies (P = I²R), die rol van 'n opgaande transformator by die kragstasie, en die rol van 'n afgaande transformator by die substasie.

Vraag 5 · (3 punte)

'n Leerder druk 'n staafmagneet in 'n draadspoel wat aan 'n galvanometer gekoppel is. Die naald wyk af. Noem DRIE veranderinge wat die leerder kan maak om 'n groter afwyking te kry, en verduidelik die fisika agter elke verandering deur Faraday se Wet te gebruik.

Vraag 6 · (6 punte)

'n Kragstasie moet 100 000 W aan 'n dorp lewer deur 'n oordraagkabel met 'n weerstand van 5 Ω. Twee oordragopsies word vergelyk:

Opsie	Spanning	Stroom (P = VI)	Kabelweerstand
A (lae spanning)	1 000 V	100 A	5 Ω
B (hoë spanning)	10 000 V	10 A	5 Ω

(a) Bereken die drywing wat as hitte verlore gaan (P_verlies = I²R) vir Opsie A en vir Opsie B. Wys alle berekeninge. (3 punte)
(b) Bereken watter persentasie van die 100 000 W wat oorgedra word, in ELKE opsie as hitte verlore gaan. (2 punte)
(c) Verduidelik, met behulp van jou antwoorde, waarom nasionale netwerke spanning so hoog verhoog voordat elektrisiteit oor lang afstande oorgedra word. (1 punt)

Elektromagnetiese Induksie