Fenomen elektromagnetske indukcije je pojava koja se sastoji u pojavi elektromotorne sile ili napona u tijelu koje se nalazi u magnetskom polju koje se neprestano mijenja. Elektromotorna sila kao rezultat elektromagnetske indukcije također nastaje ako se tijelo giba u statičkom i nejednolikom magnetskom polju, ili rotira u magnetskom polju tako da se njegove linije koje sijeku zatvorenu petlju mijenjaju.
Inducirana električna struja
Pod konceptom "indukcije" podrazumijeva se nastanak procesa kao rezultat utjecaja drugog procesa. Na primjer, električna struja može biti inducirana, odnosno može se pojaviti kao posljedica izlaganja vodiča magnetskom polju na poseban način. Takva električna struja naziva se inducirana. Uvjeti za nastanak električne struje kao rezultat fenomena elektromagnetske indukcije razmatraju se kasnije u članku.
Koncept magnetskog polja
PrijeZa početak proučavanja fenomena elektromagnetske indukcije, potrebno je razumjeti što je magnetsko polje. Jednostavno rečeno, magnetsko polje je prostor u kojem magnetski materijal pokazuje svoje magnetske učinke i svojstva. Ovo područje prostora može se prikazati pomoću linija koje se nazivaju linijama magnetskog polja. Broj ovih linija predstavlja fizikalnu veličinu koja se naziva magnetski tok. Linije magnetskog polja su zatvorene, počinju na sjevernom polu magneta i završavaju na južnom.
Magnetno polje ima sposobnost djelovanja na sve materijale s magnetskim svojstvima, kao što su željezni vodiči električne struje. Ovo polje karakterizira magnetska indukcija, koja se označava B i mjeri se u teslasima (T). Magnetska indukcija od 1 T je vrlo jako magnetsko polje koje djeluje silom od 1 newtona na točkasti naboj od 1 kulona, koje leti okomito na linije magnetskog polja brzinom od 1 m/s, odnosno 1 T=1 Ns / (mCl).
Tko je otkrio fenomen elektromagnetske indukcije?
Elektromagnetska indukcija, na čijem se principu temelje mnogi moderni uređaji, otkrivena je početkom 30-ih godina XIX stoljeća. Otkriće fenomena elektromagnetske indukcije obično se pripisuje Michaelu Faradayu (datum otkrića - 29. kolovoza 1831.). Znanstvenik se temeljio na rezultatima eksperimenata danskog fizičara i kemičara Hansa Oersteda, koji je otkrio da vodič kroz koji teče električna struja stvaramagnetsko polje oko sebe, odnosno počinje pokazivati magnetska svojstva.
Faraday je zauzvrat otkrio suprotno od fenomena koji je otkrio Oersted. Primijetio je da promjenjivo magnetsko polje, koje se može stvoriti promjenom parametara električne struje u vodiču, dovodi do pojave razlike potencijala na krajevima bilo kojeg strujnog vodiča. Ako su ovi krajevi spojeni, na primjer, kroz električnu lampu, tada će kroz takav krug teći električna struja.
Kao rezultat toga, Faraday je otkrio fizički proces, uslijed kojeg se u vodiču pojavljuje električna struja zbog promjene magnetskog polja, što je fenomen elektromagnetske indukcije. Istodobno, za stvaranje inducirane struje nije važno što se kreće: magnetsko polje ili sam vodič. To se lako može pokazati provođenjem odgovarajućeg pokusa na fenomenu elektromagnetske indukcije. Dakle, postavljajući magnet unutar metalne spirale, počinjemo ga pomicati. Spojite li krajeve spirale kroz neki indikator električne struje u strujni krug, možete vidjeti pojavu struje. Sada biste trebali ostaviti magnet na miru i pomicati spiralu gore-dolje u odnosu na magnet. Indikator će također pokazati postojanje struje u krugu.
Faradayev eksperiment
Faradayevi eksperimenti sastojali su se od rada s vodičem i trajnim magnetom. Michael Faraday prvi je otkrio da kada se vodič kreće unutar magnetskog polja, na njegovim krajevima nastaje razlika potencijala. Pokretni vodič počinje prelaziti linije magnetskog polja, što simuliraučinak promjene ovog polja.
Znanstvenik je otkrio da pozitivni i negativni znakovi rezultirajuće razlike potencijala ovise o smjeru u kojem se vodič kreće. Na primjer, ako je vodič podignut u magnetskom polju, tada će rezultirajuća razlika potencijala imati polaritet +-, ali ako se ovaj vodič spusti, tada ćemo već dobiti -+ polaritet. Ove promjene predznaka potencijala, čija se razlika naziva elektromotorna sila (EMF), dovode do pojave u zatvorenom krugu izmjenične struje, odnosno struje koja stalno mijenja svoj smjer u suprotan.
Značajke elektromagnetske indukcije koje je otkrio Faraday
Znajući tko je otkrio fenomen elektromagnetske indukcije i zašto postoji inducirana struja, objasnit ćemo neke od značajki ovog fenomena. Dakle, što brže pomičete vodič u magnetskom polju, to će biti veća vrijednost inducirane struje u krugu. Druga značajka fenomena je sljedeća: što je veća magnetska indukcija polja, odnosno što je ovo polje jače, to može stvoriti veću razliku potencijala pri pomicanju vodiča u polju. Ako vodič miruje u magnetskom polju, u njemu ne nastaje EMF, jer nema promjene u linijama magnetske indukcije koje prelaze vodič.
Smjer električne struje i pravilo lijeve ruke
Da biste odredili smjer u vodiču električne struje koja nastaje kao rezultat fenomena elektromagnetske indukcije, možetekoristiti takozvano pravilo lijeve ruke. Može se formulirati na sljedeći način: ako je lijeva ruka postavljena tako da linije magnetske indukcije, koje počinju na sjevernom polu magneta, ulaze u dlan, a izbočeni palac usmjeren je u smjeru kretanja vodiča u polje magneta, tada će preostala četiri prsta lijeve ruke pokazati smjer kretanja inducirane struje u vodiču.
Postoji još jedna verzija ovog pravila, a ona je sljedeća: ako je kažiprst lijeve ruke usmjeren duž linija magnetske indukcije, a izbočeni palac usmjeren je u smjeru vodiča, tada srednji prst okrenut za 90 stupnjeva prema dlanu pokazat će smjer struje koja se pojavila u vodiču.
Fenomen samoindukcije
Hans Christian Oersted otkrio je postojanje magnetskog polja oko vodiča ili zavojnice sa strujom. Znanstvenik je također otkrio da su karakteristike ovog polja izravno povezane s jačinom struje i njezinim smjerom. Ako je struja u zavojnici ili vodiču promjenjiva, tada će generirati magnetsko polje koje neće biti stacionarno, odnosno mijenjat će se. Zauzvrat, ovo izmjenično polje će dovesti do pojave inducirane struje (fenomen elektromagnetske indukcije). Kretanje indukcijske struje uvijek će biti suprotno od izmjenične struje koja kruži vodičem, odnosno oduprijet će se svakoj promjeni smjera struje u vodiču ili zavojnici. Taj se proces naziva samoindukcija. Rezultirajuća električna razlikapotencijala naziva se EMF samoindukcije.
Imajte na umu da se fenomen samoindukcije javlja ne samo kada se promijeni smjer struje, već i kada se mijenja, na primjer, kada raste zbog smanjenja otpora u krugu.
Za fizički opis otpora nastalog bilo kakvom promjenom struje u strujnom krugu zbog samoindukcije, uveden je koncept induktiviteta koji se mjeri u henrima (u čast američkog fizičara Josepha Henryja). Jedan henry je takva induktivnost za koju, kada se struja promijeni za 1 amper u 1 sekundi, u procesu samoindukcije nastaje EMF, jednak 1 voltu.
Izmjenična struja
Kada se induktor počne okretati u magnetskom polju, kao rezultat fenomena elektromagnetske indukcije, stvara induciranu struju. Ova električna struja je promjenjiva, što znači da sustavno mijenja smjer.
Izmjenična struja je češća od istosmjerne struje. Dakle, mnogi uređaji koji rade iz središnje električne mreže koriste ovu vrstu struje. Izmjeničnu struju je lakše inducirati i transportirati od istosmjerne struje. U pravilu je frekvencija izmjenične struje u kućanstvu 50-60 Hz, odnosno u 1 sekundi se njen smjer mijenja 50-60 puta.
Geometrijski prikaz izmjenične struje je sinusoidna krivulja koja opisuje ovisnost napona o vremenu. Puni period sinusoidalne krivulje za struju u kućanstvu je približno 20 milisekundi. Prema toplinskom učinku, izmjenična struja je slična strujiDC, čiji je napon Umax/√2, gdje je Umax maksimalni napon na AC sinusnoj krivulji.
Upotreba elektromagnetske indukcije u tehnologiji
Otkriće fenomena elektromagnetske indukcije izazvalo je pravi procvat u razvoju tehnologije. Prije ovog otkrića, ljudi su mogli proizvoditi električnu energiju samo u ograničenim količinama pomoću električnih baterija.
Trenutno se ovaj fizički fenomen koristi u električnim transformatorima, u grijačima koji pretvaraju induciranu struju u toplinu, te u električnim motorima i generatorima automobila.
