Zjawisko indukcji elektromagnetycznej to zjawisko polegające na występowaniu siły elektromotorycznej lub napięcia w ciele znajdującym się w stale zmieniającym się polu magnetycznym. Siła elektromotoryczna w wyniku indukcji elektromagnetycznej powstaje również, gdy ciało porusza się w statycznym i niejednorodnym polu magnetycznym lub obraca się w polu magnetycznym, tak że zmieniają się jego linie przecinające pętlę zamkniętą.
Indukowany prąd elektryczny
Pod pojęciem „indukcji” rozumie się pojawienie się procesu w wyniku oddziaływania innego procesu. Na przykład prąd elektryczny może być indukowany, to znaczy może pojawić się w wyniku wystawienia przewodnika na działanie pola magnetycznego w specjalny sposób. Taki prąd elektryczny nazywa się indukowanym. Warunki powstawania prądu elektrycznego w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej omówiono w dalszej części artykułu.
Pojęcie pola magnetycznego
PrzedAby rozpocząć badanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej, konieczne jest zrozumienie, czym jest pole magnetyczne. Mówiąc prościej, pole magnetyczne to obszar przestrzeni, w którym materiał magnetyczny wykazuje swoje efekty i właściwości magnetyczne. Ten obszar przestrzeni można przedstawić za pomocą linii zwanych liniami pola magnetycznego. Liczba tych linii reprezentuje wielkość fizyczną zwaną strumieniem magnetycznym. Linie pola magnetycznego są zamknięte, zaczynają się na północnym biegunie magnesu i kończą na południowym.
Pole magnetyczne może oddziaływać na dowolne materiały o właściwościach magnetycznych, takie jak żelazne przewodniki prądu elektrycznego. Pole to charakteryzuje się indukcją magnetyczną, oznaczoną jako B i mierzoną w teslach (T). Indukcja magnetyczna 1 T to bardzo silne pole magnetyczne, które działa z siłą 1 niutona na ładunek punktowy 1 kulomba, który leci prostopadle do linii pola magnetycznego z prędkością 1 m/s, czyli 1 T=1 Ns / (mCl).
Kto odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej?
Indukcja elektromagnetyczna, na której opiera się wiele nowoczesnych urządzeń, została odkryta na początku lat 30-tych XIX wieku. Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej przypisuje się zwykle Michaelowi Faradayowi (data odkrycia - 29 sierpnia 1831). Naukowiec oparł się na wynikach eksperymentów duńskiego fizyka i chemika Hansa Oersteda, który odkrył, że przewodnik, przez który przepływa prąd elektryczny, tworzypole magnetyczne wokół siebie, to znaczy zaczyna wykazywać właściwości magnetyczne.
Faraday z kolei odkrył przeciwieństwo zjawiska odkrytego przez Oersteda. Zauważył, że zmieniające się pole magnetyczne, które można wytworzyć poprzez zmianę parametrów prądu elektrycznego w przewodniku, prowadzi do pojawienia się różnicy potencjałów na końcach dowolnego przewodnika prądu. Jeśli te końce zostaną połączone na przykład przez lampę elektryczną, to przez taki obwód popłynie prąd elektryczny.
W rezultacie Faraday odkrył proces fizyczny, w wyniku którego prąd elektryczny pojawia się w przewodniku w wyniku zmiany pola magnetycznego, co jest zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej. Jednocześnie dla powstania indukowanego prądu nie ma znaczenia, co się porusza: pole magnetyczne czy sam przewodnik. Można to łatwo wykazać przeprowadzając odpowiedni eksperyment dotyczący zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Po umieszczeniu magnesu w metalowej spirali zaczynamy go przesuwać. Jeśli połączysz końce spirali przez jakiś wskaźnik prądu elektrycznego w obwód, możesz zobaczyć pojawienie się prądu. Teraz powinieneś zostawić magnes w spokoju i poruszać spiralą w górę iw dół względem magnesu. Wskaźnik pokaże również istnienie prądu w obwodzie.
Eksperyment Faradaya
Eksperymenty Faradaya polegały na pracy z przewodnikiem i magnesem trwałym. Michael Faraday po raz pierwszy odkrył, że kiedy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, na jego końcach powstaje różnica potencjałów. Poruszający się przewodnik zaczyna przecinać linie pola magnetycznego, co symulujeefekt zmiany tego pola.
Naukowiec odkrył, że dodatnie i ujemne znaki powstałej różnicy potencjałów zależą od kierunku, w którym porusza się przewodnik. Na przykład, jeśli przewodnik zostanie podniesiony w polu magnetycznym, to wynikowa różnica potencjałów będzie miała biegunowość +-, ale jeśli ten przewodnik zostanie obniżony, otrzymamy już biegunowość -+. Te zmiany znaku potencjałów, których różnicę nazywamy siłą elektromotoryczną (PEM), prowadzą do pojawienia się w obwodzie zamkniętym prądu przemiennego, czyli prądu, który stale zmienia swój kierunek na przeciwny.
Cechy indukcji elektromagnetycznej odkryte przez Faradaya
Wiedząc, kto odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej i dlaczego istnieje indukowany prąd, wyjaśnimy niektóre cechy tego zjawiska. Tak więc im szybciej poruszasz przewodnikiem w polu magnetycznym, tym większa będzie wartość prądu indukowanego w obwodzie. Kolejna cecha tego zjawiska jest następująca: im większa indukcja magnetyczna pola, czyli im silniejsze to pole, tym większą różnicę potencjałów może wytworzyć podczas poruszania się przewodnika w polu. Jeśli przewodnik znajduje się w spoczynku w polu magnetycznym, nie powstaje w nim pole elektromagnetyczne, ponieważ nie ma zmiany linii indukcji magnetycznej przechodzącej przez przewodnik.
Kierunek prądu elektrycznego i reguła lewej ręki
Aby określić kierunek w przewodzie prądu elektrycznego powstałego w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej, możeszużyj tak zwanej reguły lewej ręki. Można to sformułować w następujący sposób: jeśli lewa ręka jest ustawiona tak, że linie indukcji magnetycznej, które zaczynają się na północnym biegunie magnesu, wchodzą do dłoni, a wystający kciuk jest skierowany w kierunku ruchu przewodnika w pole magnesu, to pozostałe cztery palce lewej ręki wskażą kierunek ruchu indukowanego prądu w przewodzie.
Istnieje inna wersja tej zasady, jest ona następująca: jeśli palec wskazujący lewej ręki jest skierowany wzdłuż linii indukcji magnetycznej, a wystający kciuk w kierunku przewodnika, to środkowy palec obrócony o 90 stopni do dłoni wskaże kierunek pojawiającego się prądu w przewodniku.
Zjawisko samoindukcji
Hans Christian Oersted odkrył istnienie pola magnetycznego wokół przewodnika lub cewki z prądem. Naukowiec stwierdził również, że cechy tego pola są bezpośrednio związane z siłą prądu i jego kierunkiem. Jeśli prąd w cewce lub przewodzie jest zmienny, wygeneruje pole magnetyczne, które nie będzie nieruchome, to znaczy zmieni się. Z kolei to zmienne pole doprowadzi do pojawienia się indukowanego prądu (zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Ruch prądu indukcyjnego będzie zawsze przeciwny do prądu przemiennego krążącego w przewodniku, to znaczy będzie opierał się każdej zmianie kierunku prądu w przewodniku lub cewce. Ten proces nazywa się samoindukcją. Wynikowa różnica elektrycznapotencjałów nazywa się polem elektromagnetycznym samoindukcji.
Należy zauważyć, że zjawisko samoindukcji występuje nie tylko wtedy, gdy zmienia się kierunek prądu, ale także, gdy zmienia się on, na przykład, gdy wzrasta z powodu spadku rezystancji w obwodzie.
Dla fizycznego opisu oporu wywieranego przez jakąkolwiek zmianę prądu w obwodzie z powodu samoindukcji wprowadzono pojęcie indukcyjności, mierzonej w henrach (na cześć amerykańskiego fizyka Josepha Henry'ego). Jeden henry to taka indukcyjność, dla której, gdy prąd zmienia się o 1 amper w ciągu 1 sekundy, w procesie samoindukcji powstaje pole elektromagnetyczne o wartości 1 wolta.
Prąd przemienny
Kiedy induktor zaczyna obracać się w polu magnetycznym, w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej wytwarza indukowany prąd. Ten prąd elektryczny jest zmienny, co oznacza, że systematycznie zmienia kierunek.
Prąd przemienny jest bardziej powszechny niż prąd stały. Tak więc wiele urządzeń, które działają z centralnej sieci elektrycznej, korzysta z tego rodzaju prądu. Prąd przemienny jest łatwiejszy do wzbudzenia i transportu niż prąd stały. Z reguły częstotliwość domowego prądu przemiennego wynosi 50-60 Hz, czyli w ciągu 1 sekundy jego kierunek zmienia się 50-60 razy.
Geometryczna reprezentacja prądu przemiennego to sinusoidalna krzywa opisująca zależność napięcia od czasu. Pełny okres krzywej sinusoidalnej dla prądu domowego wynosi około 20 milisekund. Zgodnie z efektem termicznym prąd przemienny jest podobny do prąduDC, którego napięcie wynosi Umax/√2, gdzie Umax jest maksymalnym napięciem na krzywej sinusoidalnej AC.
Zastosowanie indukcji elektromagnetycznej w technologii
Odkrycie zjawiska indukcji elektromagnetycznej spowodowało prawdziwy boom w rozwoju technologii. Przed tym odkryciem ludzie byli w stanie wytwarzać energię elektryczną tylko w ograniczonych ilościach za pomocą baterii elektrycznych.
Obecnie to zjawisko fizyczne jest wykorzystywane w transformatorach elektrycznych, grzejnikach zamieniających indukowany prąd na ciepło oraz w silnikach elektrycznych i generatorach samochodowych.
