10.2: Електромагнітна індукція

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33859

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мабуть, найважливішим спостереженням щодо магнітних систем є закон Фарадея електромагнітної індукції. Коротко в ньому зазначено:

\[\text{If a conductor is cut by changing magnetic lines of force, a voltage will be induced in the conductor.} \label{10.1} \]

Більш конкретно,

\[e = − \frac{d \Phi}{dt} \label{10.2} \]

Де

\(e\)це індукована напруга,

\(d\Phi /dt\)це швидкість зміни магнітного потоку по відношенню до часу.

Тому чим більше потік і чим швидше він коливається, тим більше індукована напруга. Тут важливо відносна зміна щодо провідника і поля. Це може бути досягнуто двома основними способами: магнітним полем, яке саме коливається навколо нерухомого провідника, або провідником, що рухається через магнітне поле.

Поняття електромагнітної індукції є ключовим елементом різноманітних перетворювачів. Простіше кажучи,

\[\text{A transducer is a device that transforms energy from one type to another.} \label{10.3} \]

Хоча багато людей не думають про них як таких, електродвигуни та генератори є ідеальними прикладами перетворювачів. Електродвигун перетворює електричну енергію в механічну, а генератор робить точну протилежність, перетворюючи механічну енергію в електричну. Найчастіше слово трансдьюсер асоціюється з такими пристроями, як гучномовці і мікрофони. Гучномовець перетворює свій електричний вхід в акустичну хвилю тиску (звук), тоді як мікрофон виконує додаткову функцію перетворення акустичної хвилі тиску в електричний сигнал. Хоча існують різні способи побудови цих пристроїв, найпоширенішими конструкціями є динамічний гучномовець та динамічний мікрофон, обидва з яких покладаються на принцип електромагнітної індукції. Конструкції двох пристроїв разюче схожі, в основному відрізняються за розміром та оптимізацією деталей. Давайте докладніше розглянемо, як вони діють.

Динамічні гучномовці та мікрофони

Незалежно від своїх вихідних можливостей та частотного діапазону, всі динамічні гучномовці мають загальний набір елементів. Відповідні елементи можна знайти в динамічних мікрофоні. Дійсно, пристрої настільки схожі, що в деяких додатках невеликі гучномовці можуть тягнути подвійний обов'язок і переключитися на режим роботи мікрофона. Виріз гучномовця, призначеного для відтворення низьких частот, показаний на малюнку Template:index.

Рисунок Template:index: Вирізаний вигляд динамічного гучномовця. A. кадр B Підвіска C. свинцевий дріт D. павук E. магніт F Діафрагма G. звукова котушка колишній H. звукова котушка I. пилозахисний ковпачок

Серцем системи є звукова котушка (H), яка являє собою котушку щільно намотаного магнітного дроту. Це сидить всередині магнітного поля, яке створюється потужним постійним магнітом (E). Звукова котушка з'єднана з діафрагмою (F), яка зазвичай виготовлена з паперу або пластику. Цей вузол з'єднаний з рамою павуком (D) у верхній частині звукової котушки, і підвіскою на кінці діафрагми (B). Звукова котушка і діафрагма можуть рухатися вперед-назад щодо рами, як поршень.

Рисунок Template:index: Магнітне поле навколо котушки. Зображення ©, люб'язно надано HyperPhysics

Щоб зрозуміти операцію, нагадаємо, що проходження струму через котушку дроту створює магнітне поле навколо котушки, як показано на малюнку Template:index. Це магнітне поле таке ж, як створюється звичайним магнітом. У цьому випадку північний полюс знаходиться з лівого боку (тобто силові лінії, що виходять). Отже, ця котушка буде взаємодіяти з постійним магнітом так само, як будь-який інший магніт. У випадку з гучномовцем на звукову котушку подається струм від підсилювача, який перегукується з музичним або голосовим сигналом. Цей струм створює магнітне поле навколо звукової котушки, яке взаємодіє з полем постійного магніту. У міру зміни напрямку струму полюси поля звукової котушки змінюються. Таким чином, іноді звукова котушка виштовхується назовні і іноді її втягують всередину. Далі, чим більше струм, тим більше поле він створює, і тим більше поштовх або тягне.

Це призводить до руху діафрагми назад і вперед, що перегукується з формою форми хвилі, що подається від підсилювача. Коли діафрагма штовхається проти повітря, вона встановлює хвилю тиску, і ми маємо звук.

Динамічний мікрофон запускає послідовність в зворотному напрямку. По-перше, діафрагма буде рухатися вперед-назад відповідно до застосованої звукової хвилі. Це призводить до того, що звукова котушка рухається вперед і назад в межах поля постійного магніту. Тепер у нас є котушка дроту розрізається магнітними силовими лініями, і за законом індукції Фарадея це означає, що напруга буде індуковано в котушці. Поки діафрагма може реагувати на тонкі зміни хвилі акустичного тиску, то результуюча індукована напруга повинна бути високої точності. Зрозуміло, що для цього з великою точністю діафрагма/голосова котушка/підвіска повинна бути дуже легкою та спритною, а це означає, що компоненти мікрофона, як правило, набагато менші, ніж компоненти гучномовця.

Електрогітара Пікап

Набір звукоснимателей для електрогітари наведено на малюнку Template:index. Хоча може бути спокусливо думати, що пікапи - це просто мікрофони, вони не є. Якщо у вас є сумніви в цьому твердженні, просто спробуйте кричати на гітарний пікап і послухати, що виходить ¹. Однак робота пікапа гітари спирається на закон Фарадея.

Рисунок Template:index: Звукосниматели на електрогітарі.

Як обговорювалося в попередньому розділі, що охоплює індуктивність, пікап електрогітари складається з тисяч витків дуже тонкого дроту навколо постійного магніту. Пікап розміщується відразу під струнами гітари. У цьому положенні металеві гітарні струни (як правило, різні комбінації сталі, нікелю та/або кобальту) знаходяться в межах поля, що генерується магнітом. Коли струна вищипується, вона вібрує складним малюнком, який залежить від ноти, на яку вона налаштована, і обертонів, які присутні. Цей малюнок спотворює магнітне поле, оскільки струни мають набагато більшу проникність, ніж повітря навколо них. Тепер у нас змінюється магнітне поле, посередині якого знаходиться велика котушка дроту. Закон Фарадея стверджує, що в цій котушці повинно бути наведено напругу, і що воно буде стежити за рухами струн. Потім ця індукована напруга подається на підсилювач, сподіваємось, встановлений на 11.

Проникливий спостерігач може запитати: «Чому є кілька пікапів?» Можливо, дивно, що це не в тому, щоб отримати більший, а значить і голосніше, сигнал. Це пов'язано з тембром або якістю тону звуку. Коли гітарна струна вібрує, її рух можна вважати міріадами рухів основного тону та всіх обертонів, які йдуть з нею. У напрямку до мосту, де кріпляться струни, найнижчі скатні елементи виробляють невеликий рух, і таким чином зменшується їх сила в загальному сигналі. Результатом є те, що пікап, розміщений ближче до мосту, звучить «тонким» або «ріжучим», тоді як один, розміщений далі вгору, звучить «повний» або «товстий».

Велосипедний комп'ютер

Наш третій і останній наочний наочний приклад - це велосипедний комп'ютер. Ці зручні маленькі пристрої складаються з невеликої сенсорної системи на передньому колесі, яка підключена до блоку дисплея, встановленого на кермі. Як правило, ці одиниці відображають поточну швидкість, середню швидкість, минулий час, пройдену відстань та інші цікаві атрибути.

Рисунок Template:index: Датчик велосипедного комп'ютера та магніт.

Сенсорний апарат типового велосипедного комп'ютера показано на малюнку Template:index. Цей апарат складається з двох частин: постійного магніту, встановленого на одній з спиць колеса, і атмосферостійкого чутливого блоку, встановленого на передній вилці. Принцип роботи досить простий: кожен раз, коли обертається, магніт, прикріплений до спиці, гойдається датчиком. Рухоме магнітне поле створює короткочасний сплеск напруги в датчику, приклад показаний на малюнку Template:index. Комп'ютер записує ці шипи з часом. Знаючи окружність колеса, просте множення дає накопичене пройдене відстань. З огляду на внутрішню тактову схему, час, записаний між імпульсами, можна перетворити в швидкість. Враховуючи ці дані, інші атрибути, такі як середня або максимальна швидкість, легко отримати при подальших обчисленнях.

Рисунок Template:index: Датчик подачі сигналу велосипедного комп'ютера.

На прикладі трасування осцилографа, показаного на рисунку Template:index, ми можемо побачити, що час між імпульсами становить близько 3.5 поділів, причому кожне поділення становить 200 мілісекунд в довжину. Це дає одне обертання кожні 0,7 секунди, або приблизно 5140 оборотів на годину. Датчик був встановлений на велосипеді з шинами 700 на 25 мм, що дає окружність близько 2,1 метра. Таким чином, швидкість становила б 5140 оборотів на годину при 2,1 метра на оборот, або близько 10,8 км/год (\(\approx\)6,73 миль/год). ²

Посилання

¹ Трохи струнного резонансу, якщо вам пощастить, і деякі роздратовані товариші по групі, якщо ви цього не зробите.

² Насправді велосипед був встановлений на стійці технічного обслуговування, тому його швидкість була, по суті, нульовою. Бігати поруч з велосипедом з осцилографом і зондами нелегкий подвиг, особливо коли приціл потребує живлення змінного струму.