विद्युतचुंबकीय प्रेरण

Not to be confused with चुंबकीय अधिष्ठापन.

Alternating electric current flows through the बाईं ओर solenoid , बदलते चुंबकीय क्षेत्र का निर्माण करता है। यह क्षेत्र विद्युत चुम्बकीय प्रेरण द्वारा दाईं ओर तार लूप में विद्युत प्रवाह का कारण बनता है।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक या मैग्नेटिक इंडक्शन परिवर्तितचुंबकीय क्षेत्र में विद्युत कंडक्टर में वैद्युतवाहक बल (ईएमएफ) का उत्पादन होता है।

माइकल फैराडे को सामान्यतः 1831 में प्रेरण की खोज का श्रेय दिया जाता है, और जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने गणितीय रूप से इसे फैराडे के प्रेरण के नियम के रूप में वर्णित किया। लेंज का नियम प्रेरित क्षेत्र की दिशा का वर्णन करता है। फैराडे के नियम को बाद में मैक्सवेल-फैराडे समीकरण बनने के लिए सामान्यीकृत किया गया, जो उनके विद्युत चुंबकत्व के सिद्धांत में मैक्सवेल के चार समीकरणों में से था।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शन में कई एप्लिकेशन पाए गए हैं, जिनमें विद्युत् सुचालक जैसे प्रारंभ करनेवाला ्स और ट्रांसफार्मर और विद्युत की मोटर ्स और विद्युत उत्पन्न करने वाला जैसे डिवाइस सम्मिलित हैं।

इतिहास

ऑल्ट=

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1831 में प्रकाशित माइकल फैराडे द्वारा विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की खोज की गई थी। इसे 1832 में स्वतंत्र रूप से जोसेफ हेनरी द्वारा खोजा गया था।

फैराडे के पहले प्रायोगिक प्रदर्शन (29 अगस्त, 1831) में, उन्होंने लोहे की अंगूठी या टोरस्र्स ( आधुनिक टॉरॉयडल ट्रांसफार्मर के समान व्यवस्था) के विपरीत दिशा में दो तारों को लपेटा। इलेक्ट्रोमैग्नेट्स की अपनी समझ के आधार पर, उन्होंने अपेक्षा की कि, जब तार में धारा प्रवाहित होना प्रारंभ होता है, तो तरह की तरंग रिंग के माध्यम से यात्रा करेगी और विपरीत दिशा में कुछ विद्युत प्रभाव उत्पन्न करेगी। उसने तार को विद्युत की शक्ति नापने का यंत्र में प्लग किया, और दूसरे तार को बैटरी से जोड़ते हुए उसे देखा। उन्होंने क्षणिक धारा देखी, जिसे उन्होंने विद्युत की लहर कहा, जब उन्होंने तार को बैटरी से जोड़ा और दूसरा जब उन्होंने इसे डिस्कनेक्ट किया। यह इंडक्शन बैटरी के कनेक्ट और डिस्कनेक्ट होने पर होने वाले चुंबकीय प्रवाह में बदलाव के कारण था।दो महीनों के भीतर, फैराडे ने विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की कई अन्य अभिव्यक्तियाँ पाईं। उदाहरण के लिए, उन्होंने क्षणिक धाराओं को देखा जब उन्होंने तारों के तार के अंदर और बाहर बार चुंबक को जल्दी से स्लाइड किया, और उन्होंने स्लाइडिंग विद्युत लीड (फैराडे की डिस्क) के साथ बार चुंबक के पास तांबे की डिस्क को घुमाकर स्थिर (प्रत्यक्ष धारा) धारा उत्पन्न की। ).

फैराडे ने अवधारणा का उपयोग करते हुए विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की व्याख्या की जिसे उन्होंने बल की रेखाएं कहा। चूँकि , उस समय के वैज्ञानिकों ने उनके सैद्धांतिक विचारों को व्यापक रूप से खारिज कर दिया, मुख्यतः क्योंकि वे गणितीय रूप से तैयार नहीं किए गए थे। अपवाद जेम्स क्लर्क मैक्सवेल थे, जिन्होंने फैराडे के विचारों को अपने मात्रात्मक विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत के आधार के रूप में इस्तेमाल किया। मैक्सवेल के मॉडल में, विद्युतचुंबकीय प्रेरण के समय के बदलते विषय को अंतर समीकरण के रूप में व्यक्त किया जाता है, जिसे ओलिवर हीविसाइड ने फैराडे के नियम के रूप में संदर्भित किया है, चूँकि यह फैराडे के मूल सूत्रीकरण से थोड़ा अलग है और गतिमान ईएमएफ का वर्णन नहीं करता है। हीविसाइड का संस्करण (#मैक्सवेल-फैराडे समीकरण|नीचे मैक्सवेल-फैराडे समीकरण देखें) वह रूप है जिसे आज मैक्सवेल के समीकरणों के रूप में ज्ञात समीकरणों के समूह में मान्यता प्राप्त है।

1834 में हेनरिक लेनज़ ने परिपथ के माध्यम से प्रवाह का वर्णन करने के लिए उनके नाम पर नियम तैयार किया। लेन्ज़ का नियम विद्युत चुम्बकीय प्रेरण से उत्पन्न प्रेरित ईएमएफ और धारा की दिशा देता है।

सिद्धांत

फैराडे का आगमन का नियम और लेन्ज का नियम

Main article: फैराडे का प्रेरण का नियम

सोलनॉइड

निरंतर विद्युत प्रवाह के साथ सोलनॉइड का अनुदैर्ध्य क्रॉस सेक्शन इसके माध्यम से चल रहा है। चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ इंगित की जाती हैं, उनकी दिशा तीरों द्वारा दिखाई जाती है। चुंबकीय प्रवाह 'क्षेत्र रेखाओं के घनत्व' से मेल खाता है। चुंबकीय प्रवाह इस प्रकार सोलनॉइड के बीच में सबसे घना होता है, और इसके बाहर सबसे कमजोर होता है।

फैराडे का प्रेरण का नियम चुंबकीय प्रवाह Φ का उपयोग करता है_B तार पाश से घिरे अंतरिक्ष के क्षेत्र के माध्यम से। चुंबकीय प्रवाह को सतह अभिन्न द्वारा परिभाषित किया गया है:

$$\Phi _{\mathrm {B} }=\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \,,$$

जहां d'A' वायर लूप से घिरे सतह Σ का तत्व है, 'B' चुंबकीय क्षेत्र है। बिंदु उत्पाद 'B'·d'A' चुंबकीय प्रवाह की अतिसूक्ष्म मात्रा से मेल खाता है। अधिक दृश्य शब्दों में, वायर लूप के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह लूप से गुजरने वाली फील्ड लाइन की संख्या के समानुपाती होता है।

जब सतह के माध्यम से प्रवाह में परिवर्तन होता है, तो फैराडे के प्रेरण का नियम कहता है कि वायर लूप इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) प्राप्त करता है। इस नियम का सबसे व्यापक संस्करण बताता है कि किसी भी बंद परिपथ में प्रेरित इलेक्ट्रोमोटिव बल परिपथ द्वारा संलग्न चुंबकीय प्रवाह के व्युत्पन्न समय के बराबर होता है:

$${\mathcal {E}}=-{\frac {d\Phi _{\mathrm {B} }}{dt}}\,,$$

कहाँ पे ${\mathcal {E}}$ ईएमएफ और Φ है_B चुंबकीय प्रवाह है। इलेक्ट्रोमोटिव बल की दिशा लेंज़ के नियम द्वारा दी गई है जो बताता है कि प्रेरित धारा उस दिशा में प्रवाहित होगी जो उस परिवर्तन का विरोध करेगी जिसने इसे उत्पन्न किया था। यह पिछले समीकरण में नकारात्मक चिह्न के कारण है। उत्पन्न ईएमएफ को बढ़ाने के लिए, सामान्य दृष्टिकोण एन समान घुमावों से बना कसकर घाव करने वाला प्रारंभ करनेवाला बनाकर प्रवाह लिंकेज का फायदा उठाना है, जिनमें से प्रत्येक में ही चुंबकीय प्रवाह होता है। परिणामी ईएमएफ तब एन बार एकल तार का होता है।

$${\mathcal {E}}=-N{\frac {d\Phi _{\mathrm {B} }}{dt}}$$

तार लूप की सतह के माध्यम से चुंबकीय प्रवाह की भिन्नता के माध्यम से ईएमएफ उत्पन्न करना कई तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है:

1. चुंबकीय क्षेत्र बी बदलता है (उदाहरण के लिए वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र, या तार लूप को बार चुंबक की तरफ ले जाना जहां बी क्षेत्र मजबूत है),
2. वायर लूप विकृत है और सतह Σ बदल जाती है,
3. सतह का ओरिएंटेशन dA बदलता है (उदाहरण के लिए निश्चित चुंबकीय क्षेत्र में वायर लूप को घुमाना),
4. उपरोक्त का कोई भी संयोजन

मैक्सवेल–फैराडे समीकरण

See also: फैराडे का आगमन का नियम मैक्सवेल-फैराडे समीकरण

सामान्यतः , ईएमएफ के बीच संबंध ${\mathcal {E}}$ सतह को घेरने वाले तार के लूप में Σ, और तार में विद्युत क्षेत्र E द्वारा दिया गया है

$${\mathcal {E}}=\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}$$

जहां d'ℓ' सतह Σ के समोच्च का तत्व है, इसे फ्लक्स की परिभाषा के साथ जोड़कर

$$\Phi _{\mathrm {B} }=\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} \,,$$

हम मैक्सवेल-फैराडे समीकरण का अभिन्न रूप लिख सकते हैं

$$\oint _{\partial \Sigma }\mathbf {E} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=-{\frac {d}{dt}}{\int _{\Sigma }\mathbf {B} \cdot d\mathbf {A} }$$

यह मैक्सवेल के चार समीकरणों में से है, और इसलिए शास्त्रीय विद्युत चुंबकत्व के सिद्धांत में मौलिक भूमिका निभाता है।

फैराडे का नियम और सापेक्षता

फैराडे का नियम दो अलग-अलग घटनाओं का वर्णन करता है: गतिमान तार पर चुंबकीय बल द्वारा उत्पन्न गतिमान विद्युत वाहक बल (देखें लोरेंत्ज़ बल # धारावाही तार पर बल), और ट्रांसफार्मर ईएमएफ यह बदलते चुंबकीय क्षेत्र के कारण विद्युत बल द्वारा उत्पन्न होता है। (#मैक्सवेल-फैराडे समीकरण|मैक्सवेल-फैराडे समीकरण के विभेदक रूप के कारण)। जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने 1861 में अलग-अलग भौतिक घटनाओं की ओर ध्यान आकर्षित किया। यह भौतिकी में अनूठा उदाहरण माना जाता है जहां दो अलग-अलग घटनाओं को समझाने के लिए इस तरह के मौलिक नियम को लागू किया जाता है। अल्बर्ट आइंस्टीन ने देखा कि दोनों स्थितियां कंडक्टर और चुंबक के बीच सापेक्ष गति के अनुरूप थीं, और परिणाम अप्रभावित था जिससे कोई चल रहा था। यह उन प्रमुख रास्तों में से था जिसने उन्हें विशेष सापेक्षता विकसित करने के लिए प्रेरित किया।

अनुप्रयोग

विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत कई उपकरणों और प्रणालियों में लागू होते हैं, जिनमें निम्न सम्मिलित हैं:

• धारा क्लैंप
• विद्युत जनरेटर
• विद्युत चुम्बकीय गठन
• ग्राफिक्स टैब्लेट
• हॉल प्रभाव सेंसर
• प्रेरण कुकिंग
• प्रेरण मोटर्स
• प्रेरण सीलिंग
• प्रेरण वेल्डिंग
• आगमनात्मक चार्जिंग
• कुचालक
• चुंबकीय प्रवाह मीटर
• यंत्रवत् संचालित टॉर्च
• निकट-क्षेत्र संचार
• पिकअप्स
• रोलैंड रिंग
• ट्रांसक्रेनियल चुंबकीय उत्तेजना
• ट्रान्सफ़ॉर्मर
• वायरलेस ऊर्जा हस्तांतरण

विद्युत जनरेटर

कोणीय वेग ω पर घूमने वाला आयताकार तार का लूप निश्चित परिमाण के चुंबकीय क्षेत्र B की ओर इशारा करते हुए रेडियल रूप से बाहर की ओर। परिपथ ऊपर और नीचे डिस्क के साथ स्लाइडिंग संपर्क बनाने वाले ब्रश द्वारा पूरा किया जाता है, जिसमें रिम्स का संचालन होता है। यह ड्रम जनरेटर का सरलीकृत संस्करण है।

Main article: विद्युत जनरेटर

परिपथ और चुंबक ीय क्षेत्र के सापेक्ष संचलन के कारण फैराडे के प्रेरण के नियम द्वारा उत्पन्न ईएमएफ [[ विद्युत जनरेटर ]] अंतर्निहित घटना है। जब चुंबक को कंडक्टर के सापेक्ष स्थानांतरित किया जाता है, या इसके विपरीत, इलेक्ट्रोमोटिव बल बनाया जाता है। यदि तार को विद्युत भार के माध्यम से जोड़ा जाता है, तो धारा प्रवाहित होगी, और इस प्रकार विद्युत ऊर्जा उत्पन्न होती है, जो गति की यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। उदाहरण के लिए, ड्रम जनरेटर नीचे-दाईं ओर की आकृति पर आधारित है। इस विचार का अलग कार्यान्वयन होमोपोलर जनरेटर|फैराडे की डिस्क है, जिसे दाईं ओर सरलीकृत रूप में दिखाया गया है।

फैराडे के डिस्क उदाहरण में, डिस्क को डिस्क के लंबवत समान चुंबकीय क्षेत्र में घुमाया जाता है, जिससे लोरेंत्ज़ बल के कारण रेडियल भुजा में धारा प्रवाहित होती है। इस धारा को चलाने के लिए यांत्रिक कार्य आवश्यक है। जब उत्पन्न धारा प्रवाहकीय रिम के माध्यम से प्रवाहित होती है, तो इस धारा द्वारा एम्पीयर के सर्किटल लॉ (चित्र में प्रेरित बी लेबल) के माध्यम से चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। रिम इस प्रकार विद्युत चुम्बक बन जाता है जो डिस्क के घूर्णन का विरोध करता है (लेनज़ के नियम का उदाहरण)। आकृति के दूर की ओर, रिम के दूर की ओर से नीचे की ओर घूमने वाली भुजा से वापसी धारा प्रवाहित होती है। इस रिटर्न धारा से प्रेरित बी-फील्ड लागू बी-फील्ड का विरोध करता है, परिपथ के उस तरफ से फ्लक्स को कम करने के लिए, रोटेशन के कारण फ्लक्स में वृद्धि का विरोध करता है। आकृति के निकट की ओर, रिम के निकट की ओर से नीचे की ओर घूमने वाली भुजा से वापसी धारा प्रवाहित होती है। प्रेरित बी-फ़ील्ड परिपथ के इस तरफ प्रवाह को बढ़ाता है, आर रोटेशन के कारण प्रवाह में कमी का विरोध करता है। इस प्रतिक्रियात्मक बल के बावजूद डिस्क को गतिमान रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा उत्पन्न विद्युत ऊर्जा के बराबर होती है (साथ ही घर्षण, जूल हीटिंग और अन्य अक्षमताओं के कारण बर्बाद हुई ऊर्जा)। यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने वाले सभी जनरेटर के लिए यह व्यवहार सामान्य है।

विद्युत ट्रांसफार्मर

Main article: ट्रांसफार्मर

जब तार के लूप में विद्युत धारा बदलती है, तो बदलती धारा बदलते चुंबकीय क्षेत्र का निर्माण करती है। इस चुंबकीय क्षेत्र की पहुंच में दूसरा तार चुंबकीय क्षेत्र में इस परिवर्तन को इसके युग्मित चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन के रूप में अनुभव करेगा, ${\frac {d\Phi _{B}}{dt}}$. इसलिए, दूसरे लूप में इलेक्ट्रोमोटिव बल स्थापित किया जाता है जिसे प्रेरित ईएमएफ या ट्रांसफार्मर ईएमएफ कहा जाता है। यदि इस लूप के दोनों सिरों को विद्युत भार के माध्यम से जोड़ दिया जाए तो धारा प्रवाहित होगी।

वर्तमान क्लैंप

मौजूदा दबाना

Main article: धारा क्लैंप

धारा क्लैम्प प्रकार का ट्रांसफॉर्मर होता है जिसमें स्प्लिट कोर होता है जिसे अलग-अलग फैलाया जा सकता है और तार या कॉइल पर क्लिप किया जा सकता है या तो इसमें धारा को मापा जा सकता है या रिवर्स में वोल्टेज को प्रेरित किया जा सकता है। परंपरागत उपकरणों के विपरीत क्लैंप कंडक्टर के साथ विद्युत संपर्क नहीं बनाता है या क्लैंप के लगाव के दौरान इसे डिस्कनेक्ट करने की आवश्यकता होती है।

चुंबकीय प्रवाह मीटर

Main article: चुंबकीय प्रवाह मीटर

फैराडे के नियम का उपयोग विद्युत प्रवाहकीय तरल पदार्थ और घोल के प्रवाह को मापने के लिए किया जाता है। ऐसे उपकरणों को चुंबकीय प्रवाह मीटर कहा जाता है। प्रेरित वोल्टेज ε चुंबकीय क्षेत्र बी में वेग वी पर चलने वाले प्रवाहकीय तरल के कारण उत्पन्न होता है, इस प्रकार इस प्रकार दिया जाता है:

${\mathcal {E}}=-B\ell v,$

जहां ℓ चुंबकीय प्रवाह मीटर में इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी है।

भंवर धाराएं

Main article: Eddy current

स्थिर चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से चलने वाले विद्युत कंडक्टर, या बदलते चुंबकीय क्षेत्र के भीतर स्थिर कंडक्टर, प्रेरण द्वारा उनके भीतर प्रेरित परिपत्र धाराएं होंगी, जिन्हें एड़ी धाराएं कहा जाता है। भंवर धारा एं चुंबकीय क्षेत्र के लम्बवत् तलों में बंद लूपों में प्रवाहित होती हैं। एड़ी वर्तमान ब्रेक और इंडक्शन हीटिंग सिस्टम में उनके उपयोगी अनुप्रयोग हैं। चूँकि ट्रांसफार्मर और एसी मोटर्स और जनरेटर के धातु चुंबकीय कोर में प्रेरित एड़ी धाराएं अवांछनीय हैं क्योंकि वे धातु के प्रतिरोध में गर्मी के रूप में ऊर्जा ( कोर नुकसान कहा जाता है) को नष्ट कर देते हैं। इन उपकरणों के लिए कोर एड़ी धाराओं को कम करने के लिए कई तरीकों का इस्तेमाल करते हैं:

• ठोस धातु होने के बजाय कम आवृत्ति के वैकल्पिक विद्युत चुम्बक और ट्रांसफार्मर, प्रायः धातु की चादरों के ढेर से बने होते हैं, जिन्हें लेमिनेशन कहा जाता है, जो गैर-प्रवाहकीय कोटिंग्स द्वारा अलग किए जाते हैं। ये पतली प्लेटें अवांछित परजीवी भँवर धाराओं को कम करती हैं, जैसा कि नीचे वर्णित है।
• उच्च आवृत्तियों पर उपयोग किए जाने वाले इंडक्टर्स और ट्रांसफॉर्मर में प्रायः फेराइट (चुंबक) या लोहे के पाउडर जैसे गैर-प्रवाहकीय चुंबकीय सामग्री से बने चुंबकीय कोर होते हैं जो राल बांधने की मशीन के साथ होते हैं।

विद्युत चुंबक लेमिनेशन

भंवर धाराएं तब होती हैं जब ठोस धात्विक द्रव्यमान को चुंबकीय क्षेत्र में घुमाया जाता है, क्योंकि धातु का बाहरी भाग आंतरिक भाग की तुलना में बल की चुंबकीय रेखाओं को अधिक काटता है; इसलिए प्रेरित इलेक्ट्रोमोटिव बल समान नहीं है; यह सबसे बड़ी और सबसे कम क्षमता वाले बिंदुओं के बीच विद्युत धाराओं का कारण बनता है। भँवर धाराएँ काफी मात्रा में ऊर्जा की खपत करती हैं और प्रायः तापमान में हानिकारक वृद्धि का कारण बनती हैं।

इस उदाहरण में केवल पांच लेमिनेशन या प्लेट दिखाए गए हैं, ताकि भंवर धाराओं के उपखंड को दिखाया जा सके। व्यावहारिक उपयोग में, लैमिनेशन या पंचिंग की संख्या 40 से 66 प्रति इंच (16 से 26 प्रतिशत सेंटीमीटर) तक होती है, और एड़ी के मौजूदा नुकसान को लगभग प्रतिशत तक लाती है। जबकि प्लेटों को इन्सुलेशन द्वारा अलग किया जा सकता है, वोल्टेज इतना कम होता है कि प्लेटों की प्राकृतिक जंग/ऑक्साइड कोटिंग लैमिनेशन में वर्तमान प्रवाह को रोकने के लिए पर्याप्त होती है।

यह डीसी मोटर से लगभग 20 मिमी व्यास का रोटर है जिसका उपयोग किया जाता है CD player. परजीवी आगमनात्मक नुकसान को सीमित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रोमैग्नेट पोल के टुकड़ों के लेमिनेशन पर ध्यान दें।

कंडक्टरों के अंदर परजीवी प्रेरण

इस दृष्टांत में, घूर्णन आर्मेचर पर ठोस कॉपर बार कंडक्टर फील्ड चुंबक के पोल पीस N की नोक के नीचे से निकल रहा है। तांबे की पट्टी पर बल की रेखाओं के असमान वितरण पर ध्यान दें। चुंबकीय क्षेत्र अधिक केंद्रित है और इस प्रकार तांबे की पट्टी (a,b) के बाएं किनारे पर दृढ़ है जबकि क्षेत्र दाएं किनारे (c,d) पर दुर्बल है। चूंकि बार के दो किनारे वेग से चलते हैं, बार के पार क्षेत्र की शक्ति में यह अंतर कॉपर बार के अंदर वोर्ल्स या धारा एडीज बनाता है।

उच्च वर्तमान शक्ति-आवृत्ति डिवाइस, जैसे कि इलेक्ट्रिक मोटर, जेनरेटर और ट्रांसफार्मर, बड़े ठोस कंडक्टर के अंदर बनने वाले एडी प्रवाह को तोड़ने के लिए समानांतर में अनेक छोटे सुचालक का उपयोग करते हैं। समान सिद्धांत विद्युत आवृत्ति से अधिक उपयोग किए जाने वाले ट्रांसफार्मर पर प्रस्तावित होता है, उदाहरण के लिए, जो स्विच-मोड विद्युत की आपूर्ति और रेडियो रिसीवर के मध्यवर्ती आवृत्ति युग्मन ट्रांसफार्मर में उपयोग किया जाता है।

यह भी देखें

• आवर्तित्र
• क्रॉसस्टॉक
• फैराडे विरोधाभास
• हॉल प्रभाव
• अधिष्ठापन
• चलती चुंबक और कंडक्टर समस्या

आगे की पढाई

• Maxwell, James Clerk (1881), A treatise on electricity and magnetism, Vol. II, Chapter III, §530, p. 178. Oxford, UK: Clarendon Press. ISBN 0-486-60637-6.

बाहरी कड़ियाँ

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