Az elektromágneses indukció alapján működő áramforrásokat áramfejlesztő generátoroknak, röviden generátoroknak nevezzük.
A legfontosabb gyakorlati felhasználásuk az, hogy a mechanikai energiát elektromos energiává alakítják, vagyis röviden szólva áramot indukálnak.
Az elektromágneses indukció törvényeit először Michael Faraday angol fizikus és kémikus fektette le 1831-ben.
Az elektromágneses indukció lényege
Az elektromágneses indukció olyan elektromágneses kölcsönhatás, amelynek során az időben változó mágneses tér egy vezetőkörben elektromos feszültséget indukál.
Indukált feszültségről beszélünk akkor, ha egy vezetőben az elektromágneses indukció hatására jön létre feszültség.
Elektrotechnikai szempontból csak és kizárólag indukált feszültségről beszélünk, és nem indukált áramról.
Ha egy réztekercset mágneses mezőben mozgatunk, a végpontjai között feszültség jön létre, zárt áramkör esetében indukált áramot hoz létre a feszültség, ami az elektromágneses indukció.
Ha egy fémtekercs belsejébe egy mágnesrudat helyezünk és azt mozgatni kezdjük azzal folyamatos változó mágneses mezőt hozunk létre, ami elektromos áramot hoz létre a tekercsben.
A mágneses mező változása előidézhető a mágnesrúd vagy a tekercs mozgatásával is, emellett a tekercsben lévő áramkör ki és bekapcsolásával vagy az áramerősség változtatásával.
Heinrich Lenz német fizikus törvénye alapján a tekercs végpontjai közötti indukált feszültség és áramerősség arányos a mágneses mező változásának intenzitásával.
Az indukció két alapvető formája
Mozgási indukció
A mozgási indukció során a mágneses mező és a vezető mozog egymáshoz viszonyítva.
Ha egy mágneses erőtérben elektromosan vezető anyag relatív elmozdulása történik, és az elmozdulásnak van a mágneses erővonalak irányára merőleges összetevője, akkor a vezetőben elektromos feszültség indukálódik.
Nyugalmi indukció
A nyugalmi indukció során sem a vezető, sem a mágneses mező nem mozog.
Ebben az esetben az indukciót az időben változó fluxus hozza létre.
Önindukció
Önindukció esetén a mágneses mező változása, és az elektromos mező megjelenése ugyanott történik.
Hogyan működik a generátor?
Az általánosított definíció szerint a tekercsnek és a mágnesnek mozognia kell egymáshoz képest!
Váltakozó feszültséget és így áramot akkor is elő lehet állítani, ha egy nyugvó tekercs előtt forgatjuk a mágnesrudat.
Ilyenkor az áram erőssége folyamatosan, az iránya pedig időközönként változik.
Az áram iránya akkor változik meg, amikor a mágnesrúd valamelyik pólusa elhalad a tekercs vége előtt.
Az olyan áramot, amelynek erőssége és iránya is változik, váltakozó áramnak nevezzük.
A mágnesrudat két tekercs előtt is lehet forgatni, sőt akár négy előtt is.
Ha ezeket sorosan kötjük, akkor a tekercsekben indukált feszültségek összeadódnak.
Generátorok az erőművekben
Az elektromos hálózat villamos erőműveiben levő generátorokban az elektromágnest például víz-, gáz- vagy gőzturbinával, széntüzeléssel, vagy éppen belső égésű benzinmotorral forgatják.
Az erőművekben legtöbbször nagy energiájú gőzt fejlesztenek, amivel gőzturbinákat forgatnak meg, és a gőzturbinák forgatják meg az áramfejlesztő generátorokat.
Az álló tekercsekben indukált váltakozó áramot távvezetéken juttatják el a fogyasztókhoz.
Magyarországon olyan váltakozó áramú generátorokat használnak, amelynek áramkörében az áram iránya másodpercenként 100-szor változik.
Miért váltakozó áramot termelnek a generátorok?
A váltakozó feszültség ma már általános a lakásokban, gyárakban, irodákban.
Ez 230 V és 50 Hz.
Ez jellemző Európára, de például az USA-ban 120 V a szabvány feszültség, sőt a frekvencia sem 50, hanem 60 Hz.
Az elektromos berendezések Európában 230 V-ra, 50 Hz-re vannak méretezve, tervezve, míg az USA-ban 120 V-ra és 60 Hz-re.
Nikola Tesla a váltakozó áramot javasolta a nagy távolságra szállítható elektromosság eszközéül.
Érdemes megjegyezni, hogy az áram szállítására váltakozó áramot, míg a tárolására egyenáramot lehet sokkal jobb hatásfokkal, kisebb veszteséggel alkalmazni.
A diódák a váltakozó áramot egyenárammá alakítják.
| Áramfajta | Jellemző felhasználás |
|---|---|
| Váltakozó áram | Az áram szállítása |
| Egyenáram | Az áram tárolása |
Az elektromágneses indukció alapján működő áramforrások neve
Azokat az áramforrásokat, amelyekben mechanikai energia felhasználásával elektromágneses indukció révén elektromos energia keletkezik, áramfejlesztő generátoroknak nevezzük.
A generátor tehát nem egyszerűen egy tekercs és egy mágnes, hanem olyan berendezés, amelyben a mágneses mező és a vezető egymáshoz viszonyított mozgása folyamatosan indukált feszültséget hoz létre.
A generátorok működésének alapja a mechanikai energia átalakítása elektromos energiává.
- Mechanikai energia: a turbina, motor vagy más hajtóberendezés forgása.
- Mágneses változás: a mágnes és a tekercs egymáshoz viszonyított mozgása.
- Indukált feszültség: a vezetőben az elektromágneses indukció hatására létrejövő feszültség.
- Elektromos energia: a zárt áramkörben megjelenő áram és a fogyasztókhoz továbbított teljesítmény.
Az indukció további gyakorlati alkalmazásai
Kerékpársebesség-mérő
Régen felmerült az igény, hogy a kerékpárok sebességét is mérjék.
Kezdetben az autók sebességmérőivel megegyező elven működő mérőórákat helyeztek el a kerékpárokon, amelyek mutató segítségével jelezték a sebességet.
Újabban digitális kijelzésűek a mérők, és működési elvük is más.
A bicikli kerekére, a küllőkre egy kis állandó mágnest kell tennünk, és a mágnessel szemben a villára egy érzékelőt kell rögzítenünk.
Az érzékelő valójában egy kis elektromágneses tekercs, amely egy vékony vezetékpárral van összekötve a digitális kijelzővel.
Amikor a kerékkel együtt forgó állandó mágnes elhalad az érzékelő, vagyis a kis tekercs előtt, akkor abban változik a mágneses mező, ami elektromos mezőt indukál, tehát elektromos jelet kelt.
A digitális kijelzőben lévő elektromos áramkör érzékeli a beérkező jeleket és egy olyan számot ír ki, ami fordítottan arányos az egymást követő jelek között eltelt idővel.
Magnetofonok és videolejátszók
Magnetofonokban és videolejátszókban is felhasználjuk az elektromágneses indukciót.
A magnószalagon és a videoszalagon az információt mágneses jelek formájában tároljuk.
A jeleket az úgynevezett lejátszófej érzékeli, ami egy kis elektromágneses tekercs.
A szalag a lejátszófej előtt állandó sebességgel mozog, ezért a mágneses mező a szalagon tárolt információ szerint változik a fejben.
Az indukció során a tekercsben a mágneses mező változása elektromos jeleket kelt, amit a készülék felerősít és hanggá, illetve képpé alakít.
A kazettás magnók szalagján összesen négy sáv van, amelyek közül kettőt akkor használunk, amikor a kazetta egyik oldalát hallgatjuk, kettőt pedig a másik oldal hallgatásakor.
Indukciós főzőlap
Az indukciós főzőlap kifejezést mindenki ismeri.
A fentiekben említett tekercset egy réztekercs formájában a főzőlap alá helyeznek.
A bekapcsoláskor az elektromos hálózatból váltóáram megy a tekercselt vezetékbe, ami mágneses mezőt hoz létre.
Ezt oszcilláló mágneses erőtérnek is nevezik.
Az egész indukciós mágneses erőtérre felépített mechanizmus semmit sem ér, ha a főzőlapon elhelyezett edény nem mágnesezhető.
Erre a magas vastartalommal rendelkező, mágneses erőtérrel reakcióba lépő lábosok és serpenyők alkalmasak, amelyen fel van tüntetve, hogy használható-e indukciós főzőlapon.
Az előbb említett oszcilláló mágneses mező változása örvényáramot hoz létre, ami ebben az esetben nem egy vezetékben, hanem az edény falában, pontosan annak a fémkötéssel egymáshoz kapcsolódó vas és egyéb vezető részecskék elektronjaiban folyik, és hőt termel.
Fontos, hogy a távolság növekedésével a mágneses erőtér ereje csökken, ezért az edénynek a főzőlap felülete alatt közvetlenül elhelyezett réztekercs alatt kell lennie.
Ez általában 10-20 mm távolságot jelent a váltóáram alatt lévő réztekercs és az edény alja között.
Ezáltal az elektromágneses indukció az edény alsó felületén fejti ki a hatását, majd a keletkező hő tovább terjed az edény falán.
Az indukciós főzőlap hatékonysága
Hasonlóan egy fűtési rendszer vagy kazán hatékonyságvizsgálatánál, itt is azt nézzük, hogy az elhasznált energia mekkora hányada kerül felhasználásra az adott cél eléréséhez és mekkora hányada lesz a veszteség, ami más közegbe kerül leadásra.
Az indukciós főzőlap közvetlenül az edény alján hozza létre a magas hőmérsékletet, így sem a főzőlap kerámiafelülete, sem a légnemű közeg nem kap energiát.
A megtermelt hő a már felforrósodott edényről és annak tartalmáról kerül vissza a levegőbe és a főzőlap felületére.
Ez a működés 80-90%-os energiahatékonyságot jelent, ami messze a legmagasabb a főzőlapok között.
A hagyományos elektromos fűtőszállal működő kerámia főzőlapok már csak 50%-os hatékonysággal üzemelnek, ahol a főzőlap felületének a felfűtése sok energiát emészt fel.
A gázfőzőlapok esetében ez az érték még rosszabb, ott 35%-os hatékonyságot tapasztalunk.
| Főzőlap típusa | Energiahatékonyság |
|---|---|
| Indukciós főzőlap | 80-90% |
| Hagyományos elektromos kerámia főzőlap | 50% |
| Gázfőzőlap | 35% |
Az indukciós főzőlap előnyei és feltételei
- Nincs nyílt láng: ez talán a legnagyobb előnye mind az elektromos fűtőszálas, mind az indukciós főzőlapoknak.
- Edény kell a melegedéshez: csak akkor indul meg a melegedési folyamat, ha az edény a főzőlapon van.
- Gyors melegedés: az indukciós lapok gyorsabban melegítik át az edényt, emellett fokozatváltásnál is hamarabb lesz eredmény.
- Alacsonyabb felszíni hőmérséklet: az indukciós főzőlap edény által visszaforrósított felülete is megégetheti a kezet, de egy sokkal alacsonyabb hőmérséklet van jelen a felszínen, ami maximum annyi lehet, mint az edény hőmérséklete.
A fűtőszálas kerámia főzőlapok akár 400-500 °C fokosak, a nyílt gázláng már több mint 1000 °C fokos hőmérsékletű is lehet.
Ma már a legtöbb lábos és serpenyő alkalmas az indukciós főzőlapon történő használatra, az egyetlen kitétel, hogy mágnesezhető fém alapú anyagból készüljenek, ilyen a vas, acél (304; 404) és rozsdamentes acél.
Az alumínium és réz, amelyekre szintén igaz az állítás, már nem ideálisak erre a célra, mert az alacsony ellenállásuk és mágnesezhetőségük miatt minimális a hőtermelésük.
Ez ellentmondásosan hangzik, de ha egy fém túl jó vezető, ebben az esetben az sem jó, illetve ne feledkezzünk meg a mágnesezhetőségről.
Ha a meglévő, de nem indukciós edények mellett maradunk, akkor az áthidaló megoldást egy indukciós adapter nyújthatja.
Ez egy egyszerű nyeles fémkorong, ami az edény helyett felveszi az oszcilláló mágneses mezőt és az energiát már hő formájában továbbítja az edénynek.
Az indukciós főzőlap beépítése és energiaigénye
Az egyik fő feltétel a beépítés során, hogy néhány centiméteres biztonsági távolság legyen a főzőlap alja és az alatta található bútorlap vagy fiók és tartalma között.
Bármi található az indukciós főzőlap alatt, legalább 3 cm biztonsági távolság szükséges a készülék alsó síkja alatt.
Az indukciós főzőlapok helytakarékosak, mindössze néhány cm vastagságuk jelentős részét a konyhai munkalap elnyeli.
Egy átlagos 4 zónás indukciós főzőlap teljes áramigénye mind a 4 főzőlap együttes működtetése esetén 7200 W.
A szükséges áramerősség 2×16 vagy 1×32 A.
A főzőlapok felülete nagy teherbírású edzett üveg, ami használattól függően rendszeres takarítást igényel.
Ez nem kizárólag esztétikai és egészségügyi szempontból fontos, hanem azért is, hogy az érintőgombok könnyen kezelhetők maradjanak és közvetlenül érzékeljék az ujjakat.
Tisztításuk nem igényel egyedi tisztítószereket, bármi, ami a zsíros szennyeződéseket és vízkövet hatékonyan eltávolítja, alkalmas a tisztításra.
Faraday indukciós törvényének bemutatása - Penn Physics
Az indukciós technológia helye a mindennapi eszközökben
Az elektromágneses indukció tehát különböző módokon jelenik meg a technikai eszközökben.
- A generátorokban mechanikai energiából elektromos energia keletkezik.
- A kerékpársebesség-mérőben a forgó mágnes elektromos jelet hoz létre.
- A magnetofonokban és videolejátszókban a mágneses jelekből elektromos jelek lesznek.
- Az indukciós főzőlapban az örvényáram hőt termel az edény falában.
Az áramfejlesztő generátorok esetében a legfontosabb különbség az, hogy ezek célja az elektromos energia előállítása és továbbítása.
A többi alkalmazásban az elektromágneses indukció elsősorban jelek érzékelésére, információk visszaalakítására vagy hőtermelésre szolgál.
tags: #hogyan #nevezzuk #az #elektromagneses #indukcio #alapjan