Fenomén elektromagnetickej indukcie je jav, ktorý spočíva vo výskyte elektromotorickej sily alebo napätia v telese umiestnenom v magnetickom poli, ktoré sa neustále mení. Elektromotorická sila v dôsledku elektromagnetickej indukcie vzniká aj vtedy, ak sa teleso pohybuje v statickom a nerovnomernom magnetickom poli alebo rotuje v magnetickom poli tak, že sa jeho čiary pretínajúce uzavretú slučku menia.
Indukovaný elektrický prúd
Pod pojmom „indukcia“sa rozumie vznik procesu ako výsledok vplyvu iného procesu. Napríklad môže byť indukovaný elektrický prúd, to znamená, že sa môže objaviť ako výsledok vystavenia vodiča magnetickému poľu špeciálnym spôsobom. Takýto elektrický prúd sa nazýva indukovaný. Podmienky vzniku elektrického prúdu v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie sú popísané ďalej v článku.
Koncept magnetického poľa
PredtýmAk chcete začať študovať fenomén elektromagnetickej indukcie, je potrebné pochopiť, čo je magnetické pole. Zjednodušene povedané, magnetické pole je oblasť priestoru, v ktorej magnetický materiál prejavuje svoje magnetické účinky a vlastnosti. Táto oblasť priestoru môže byť znázornená pomocou čiar nazývaných magnetické siločiary. Počet týchto čiar predstavuje fyzikálnu veličinu nazývanú magnetický tok. Magnetické siločiary sú uzavreté, začínajú na severnom póle magnetu a končia na južnom.
Magnetické pole má schopnosť pôsobiť na akékoľvek materiály s magnetickými vlastnosťami, ako sú železné vodiče elektrického prúdu. Toto pole je charakterizované magnetickou indukciou, ktorá sa označuje B a meria sa v teslach (T). Magnetická indukcia 1 T je veľmi silné magnetické pole, ktoré pôsobí silou 1 newton na bodový náboj 1 coulomb, ktorý letí kolmo na siločiary magnetického poľa rýchlosťou 1 m/s, teda 1 T.=1 Ns / (mCl).
Kto objavil fenomén elektromagnetickej indukcie?
Elektromagnetická indukcia, na princípe ktorej je založených mnoho moderných zariadení, bola objavená začiatkom 30. rokov XIX. Objav fenoménu elektromagnetickej indukcie sa zvyčajne pripisuje Michaelovi Faradayovi (dátum objavu - 29. august 1831). Vedec vychádzal z výsledkov experimentov dánskeho fyzika a chemika Hansa Oersteda, ktorý zistil, že vodič, ktorým preteká elektrický prúd, vytváramagnetické pole okolo seba, to znamená, že začne vykazovať magnetické vlastnosti.
Faraday zase objavil opak fenoménu, ktorý objavil Oersted. Všimol si, že meniace sa magnetické pole, ktoré môže byť vytvorené zmenou parametrov elektrického prúdu vo vodiči, vedie k vzniku rozdielu potenciálov na koncoch akéhokoľvek vodiča prúdu. Ak sú tieto konce spojené napríklad cez elektrickú lampu, potom bude cez takýto obvod pretekať elektrický prúd.
V dôsledku toho Faraday objavil fyzikálny proces, v dôsledku ktorého sa vo vodiči objaví elektrický prúd v dôsledku zmeny magnetického poľa, čo je fenomén elektromagnetickej indukcie. Zároveň pri vytváraní indukovaného prúdu nezáleží na tom, čo sa pohybuje: magnetické pole alebo samotný vodič. To sa dá ľahko ukázať vykonaním vhodného experimentu na fenoméne elektromagnetickej indukcie. Takže po umiestnení magnetu do kovovej špirály s ním začneme pohybovať. Ak spojíte konce špirály cez nejaký indikátor elektrického prúdu do obvodu, môžete vidieť vzhľad prúdu. Teraz by ste mali nechať magnet na pokoji a pohybovať špirálou nahor a nadol vzhľadom na magnet. Indikátor tiež ukáže existenciu prúdu v obvode.
Faradayov experiment
Faradayove experimenty pozostávali z práce s vodičom a permanentným magnetom. Michael Faraday prvýkrát objavil, že keď sa vodič pohybuje vnútri magnetického poľa, na jeho koncoch vzniká potenciálny rozdiel. Pohybujúci sa vodič začne pretínať siločiary magnetického poľa, čo simulujeúčinok zmeny tohto poľa.
Vedec zistil, že pozitívne a negatívne znaky výsledného rozdielu potenciálov závisia od smeru, ktorým sa vodič pohybuje. Napríklad, ak je vodič zdvihnutý v magnetickom poli, potom výsledný potenciálny rozdiel bude mať +- polaritu, ale ak je tento vodič znížený, potom už dostaneme -+ polaritu. Tieto zmeny znamienka potenciálov, ktorých rozdiel sa nazýva elektromotorická sila (EMF), vedú k tomu, že sa v uzavretom okruhu objaví striedavý prúd, teda prúd, ktorý neustále mení svoj smer opačný.
Vlastnosti elektromagnetickej indukcie objavené Faradayom
Vediac, kto objavil fenomén elektromagnetickej indukcie a prečo existuje indukovaný prúd, vysvetlíme niektoré vlastnosti tohto javu. Takže čím rýchlejšie pohybujete vodičom v magnetickom poli, tým väčšia bude hodnota indukovaného prúdu v obvode. Ďalšou črtou tohto javu je: čím väčšia je magnetická indukcia poľa, to znamená, čím silnejšie je toto pole, tým väčší potenciálny rozdiel môže vytvoriť pri pohybe vodiča v poli. Ak je vodič v pokoji v magnetickom poli, nevzniká v ňom žiadne EMF, pretože nedochádza k žiadnej zmene v čiarach magnetickej indukcie prechádzajúcich vodičom.
Smer elektrického prúdu a pravidlo ľavej ruky
Na určenie smeru vo vodiči elektrického prúdu vytvoreného v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie môžetepoužite takzvané pravidlo ľavej ruky. Dá sa formulovať nasledovne: ak je ľavá ruka umiestnená tak, že čiary magnetickej indukcie, ktoré začínajú na severnom póle magnetu, vstupujú do dlane a vyčnievajúci palec smeruje v smere pohybu vodiča v pole magnetu, potom zostávajúce štyri prsty ľavej ruky udávajú smer pohybu indukovaného prúdu vo vodiči.
Existuje ďalšia verzia tohto pravidla, a to takto: ak je ukazovák ľavej ruky nasmerovaný pozdĺž čiar magnetickej indukcie a vyčnievajúci palec smeruje v smere vodiča, potom prostredný prst otočený o 90 stupňov k dlani ukáže smer prúdu, ktorý sa objaví vo vodiči.
Fenomén samoindukcie
Hans Christian Oersted objavil existenciu magnetického poľa okolo vodiča alebo cievky s prúdom. Vedec tiež zistil, že vlastnosti tohto poľa priamo súvisia so silou prúdu a jeho smerom. Ak je prúd v cievke alebo vodiči premenlivý, potom vytvorí magnetické pole, ktoré nebude stacionárne, to znamená, že sa zmení. Toto striedavé pole zase povedie k vzniku indukovaného prúdu (fenomén elektromagnetickej indukcie). Pohyb indukčného prúdu bude vždy opačný ako striedavý prúd cirkulujúci cez vodič, to znamená, že bude odolávať každej zmene smeru prúdu vo vodiči alebo cievke. Tento proces sa nazýva samoindukcia. Výsledný elektrický rozdielpotenciál sa nazýva EMP samoindukcie.
Všimnite si, že k fenoménu samoindukcie dochádza nielen pri zmene smeru prúdu, ale aj pri jeho zmene, napríklad pri zvýšení v dôsledku poklesu odporu v obvode.
Pre fyzikálny popis odporu vyvolaného akoukoľvek zmenou prúdu v obvode spôsobenou samoindukciou bol zavedený pojem indukčnosti, ktorý sa meria v henry (na počesť amerického fyzika Josepha Henryho). Jeden henry je taká indukčnosť, pre ktorú, keď sa prúd zmení o 1 ampér za 1 sekundu, vzniká EMF v procese samoindukcie, ktorá sa rovná 1 voltu.
Striedavý prúd
Keď sa induktor začne otáčať v magnetickom poli, v dôsledku javu elektromagnetickej indukcie vytvorí indukovaný prúd. Tento elektrický prúd je premenlivý, čo znamená, že systematicky mení smer.
Striedavý prúd je bežnejší ako jednosmerný prúd. Mnoho zariadení, ktoré pracujú z centrálnej elektrickej siete, teda používa tento typ prúdu. Striedavý prúd sa ľahšie indukuje a prenáša ako jednosmerný prúd. Frekvencia striedavého prúdu v domácnosti je spravidla 50-60 Hz, to znamená, že za 1 sekundu sa jeho smer zmení 50-60 krát.
Geometrická reprezentácia striedavého prúdu je sínusová krivka, ktorá popisuje závislosť napätia od času. Celá perióda sínusovej krivky pre prúd v domácnosti je približne 20 milisekúnd. Podľa tepelného efektu je striedavý prúd podobný prúduDC, ktorého napätie je Umax/√2, kde Umax je maximálne napätie na sínusovej krivke striedavého prúdu.
Použitie elektromagnetickej indukcie v technológii
Objav fenoménu elektromagnetickej indukcie spôsobil skutočný boom vo vývoji technológie. Pred týmto objavom boli ľudia schopní vyrábať elektrinu iba v obmedzenom množstve pomocou elektrických batérií.
V súčasnosti sa tento fyzikálny jav používa v elektrických transformátoroch, v ohrievačoch, ktoré premieňajú indukovaný prúd na teplo, a v elektromotoroch a generátoroch automobilov.
