Jev elektromagnetické indukce je jev, který spočívá ve výskytu elektromotorické síly nebo napětí v tělese umístěném v magnetickém poli, které se neustále mění. Elektromotorická síla v důsledku elektromagnetické indukce také vzniká, pokud se těleso pohybuje ve statickém a nerovnoměrném magnetickém poli nebo rotuje v magnetickém poli tak, že se jeho čáry protínající uzavřenou smyčku změní.
Indukovaný elektrický proud
Pod pojmem „indukce“se rozumí vznik procesu jako výsledek dopadu jiného procesu. Například elektrický proud může být indukován, to znamená, že se může objevit jako výsledek vystavení vodiče magnetickému poli zvláštním způsobem. Takový elektrický proud se nazývá indukovaný. Podmínky pro vznik elektrického proudu v důsledku jevu elektromagnetické indukce jsou diskutovány dále v článku.
Koncept magnetického pole
PředtímChcete-li začít studovat fenomén elektromagnetické indukce, je nutné pochopit, co je magnetické pole. Jednoduše řečeno, magnetické pole je oblast prostoru, ve které magnetický materiál projevuje své magnetické účinky a vlastnosti. Tato oblast prostoru může být zobrazena pomocí čar nazývaných magnetické siločáry. Počet těchto čar představuje fyzikální veličinu zvanou magnetický tok. Magnetické siločáry jsou uzavřené, začínají na severním pólu magnetu a končí na jižním.
Magnetické pole má schopnost působit na jakékoli materiály s magnetickými vlastnostmi, jako jsou železné vodiče elektrického proudu. Toto pole je charakterizováno magnetickou indukcí, která se označuje B a je měřena v teslach (T). Magnetická indukce 1 T je velmi silné magnetické pole, které působí silou 1 newtonu na bodový náboj 1 coulomb, který letí kolmo k siločarám magnetického pole rychlostí 1 m/s, tedy 1 T.=1 Ns / (mCl).
Kdo objevil fenomén elektromagnetické indukce?
Elektromagnetická indukce, na jejímž principu je založena řada moderních zařízení, byla objevena na počátku 30. let XIX. Objev jevu elektromagnetické indukce je obvykle připisován Michaelu Faradayovi (datum objevu - 29. srpna 1831). Vědec vycházel z výsledků experimentů dánského fyzika a chemika Hanse Oersteda, který zjistil, že vodič, kterým protéká elektrický proud, vytvářímagnetické pole kolem sebe, to znamená, že začne vykazovat magnetické vlastnosti.
Faraday zase objevil opak jevu, který objevil Oersted. Všiml si, že měnící se magnetické pole, které může být vytvořeno změnou parametrů elektrického proudu ve vodiči, vede ke vzniku rozdílu potenciálu na koncích libovolného vodiče proudu. Pokud jsou tyto konce propojeny například prostřednictvím elektrické lampy, pak takovým obvodem bude protékat elektrický proud.
V důsledku toho Faraday objevil fyzikální proces, v jehož důsledku se ve vodiči objeví elektrický proud v důsledku změny magnetického pole, což je fenomén elektromagnetické indukce. Přitom pro tvorbu indukovaného proudu nezáleží na tom, co se pohybuje: magnetické pole nebo samotný vodič. To lze snadno ukázat provedením vhodného experimentu na fenoménu elektromagnetické indukce. Po umístění magnetu do kovové spirály s ním začneme pohybovat. Pokud zapojíte konce spirály přes nějaký indikátor elektrického proudu do obvodu, můžete vidět vzhled proudu. Nyní byste měli magnet nechat na pokoji a pohybovat spirálou nahoru a dolů vzhledem k magnetu. Indikátor také ukáže existenci proudu v obvodu.
Faradayův experiment
Faradayovy experimenty spočívaly v práci s vodičem a permanentním magnetem. Michael Faraday poprvé objevil, že když se vodič pohybuje uvnitř magnetického pole, vzniká na jeho koncích potenciálový rozdíl. Pohybující se vodič začne křižovat magnetické siločáry, což simulujeúčinek změny tohoto pole.
Vědec zjistil, že kladné a záporné znaky výsledného rozdílu potenciálu závisí na směru, kterým se vodič pohybuje. Například, pokud je vodič zvednutý v magnetickém poli, pak výsledný potenciálový rozdíl bude mít +- polaritu, ale pokud je tento vodič snížen, pak již dostaneme -+ polaritu. Tyto změny ve znaménku potenciálů, jejichž rozdíl se nazývá elektromotorická síla (EMF), vedou k tomu, že se v uzavřeném okruhu objeví střídavý proud, tedy proud, který neustále mění svůj směr opačný.
Vlastnosti elektromagnetické indukce objevené Faradayem
Vědět, kdo objevil fenomén elektromagnetické indukce a proč existuje indukovaný proud, vysvětlíme některé rysy tohoto jevu. Takže čím rychleji pohybujete vodičem v magnetickém poli, tím větší bude hodnota indukovaného proudu v obvodu. Další rys jevu je následující: čím větší je magnetická indukce pole, to znamená, čím silnější je toto pole, tím větší potenciálový rozdíl může vytvořit při pohybu vodiče v poli. Pokud je vodič v klidu v magnetickém poli, nevzniká v něm žádné EMF, protože nedochází ke změně čar magnetické indukce procházejících vodičem.
Směr elektrického proudu a pravidlo levé ruky
Pro určení směru ve vodiči elektrického proudu vytvořeného v důsledku jevu elektromagnetické indukce můžetepoužijte tzv. pravidlo levé ruky. Lze to formulovat následovně: pokud je levá ruka umístěna tak, že čáry magnetické indukce, které začínají na severním pólu magnetu, vstupují do dlaně a vyčnívající palec směřuje ve směru pohybu vodiče v pole magnetu, pak zbývající čtyři prsty levé ruky budou ukazovat směr pohybu indukovaného proudu ve vodiči.
Existuje další verze tohoto pravidla, a to takto: pokud je ukazováček levé ruky nasměrován podél čar magnetické indukce a vyčnívající palec směřuje ve směru vodiče, pak prostředníček otočený o 90 stupňů k dlani ukáže směr proudu, který se objeví ve vodiči.
Fenomén sebeindukce
Hans Christian Oersted objevil existenci magnetického pole kolem vodiče nebo cívky s proudem. Vědec také zjistil, že vlastnosti tohoto pole přímo souvisí se silou proudu a jeho směrem. Pokud je proud v cívce nebo vodiči proměnlivý, pak bude generovat magnetické pole, které nebude stacionární, to znamená, že se bude měnit. Toto střídavé pole zase povede ke vzniku indukovaného proudu (fenomén elektromagnetické indukce). Pohyb indukčního proudu bude vždy opačný než střídavý proud cirkulující vodičem, to znamená, že bude odolávat každé změně směru proudu ve vodiči nebo cívce. Tento proces se nazývá samoindukce. Výsledný elektrický rozdílpotenciál se nazývá EMF samoindukce.
Všimněte si, že jev samoindukce nastává nejen při změně směru proudu, ale také při jeho změně, například při zvýšení v důsledku poklesu odporu v obvodu.
Pro fyzikální popis odporu vyvíjeného jakoukoli změnou proudu v obvodu v důsledku samoindukce byl zaveden pojem indukčnosti, který se měří v henry (na počest amerického fyzika Josepha Henryho). Jeden henry je taková indukčnost, pro kterou, když se proud změní o 1 ampér za 1 sekundu, vzniká EMF v procesu samoindukce, rovnající se 1 voltu.
Střídavý proud
Když se induktor začne otáčet v magnetickém poli, v důsledku jevu elektromagnetické indukce vytváří indukovaný proud. Tento elektrický proud je proměnný, což znamená, že systematicky mění směr.
Střídavý proud je běžnější než stejnosměrný proud. Mnoho zařízení, která pracují z centrální elektrické sítě, tedy používá tento typ proudu. Střídavý proud se snadněji indukuje a transportuje než stejnosměrný proud. Frekvence domácího střídavého proudu je zpravidla 50-60 Hz, to znamená, že za 1 sekundu se jeho směr změní 50-60krát.
Geometrická reprezentace střídavého proudu je sinusová křivka, která popisuje závislost napětí na čase. Celá perioda sinusové křivky pro domácí proud je přibližně 20 milisekund. Podle tepelného účinku je střídavý proud podobný prouduDC, jehož napětí je Umax/√2, kde Umax je maximální napětí na sinusové křivce AC.
Využití elektromagnetické indukce v technologii
Objev fenoménu elektromagnetické indukce způsobil skutečný boom ve vývoji technologie. Před tímto objevem byli lidé schopni vyrábět elektřinu pouze v omezeném množství pomocí elektrických baterií.
V současné době se tento fyzikální jev používá v elektrických transformátorech, v ohřívačích, které přeměňují indukovaný proud na teplo, a v elektromotorech a generátorech automobilů.
