Fenomen elektromagnetne indukcije je pojava koja se sastoji u pojavi elektromotorne sile ili napona u tijelu koje se nalazi u magnetskom polju koje se stalno mijenja. Elektromotorna sila kao rezultat elektromagnetne indukcije također nastaje ako se tijelo kreće u statičkom i neujednačenom magnetskom polju, ili rotira u magnetskom polju tako da se njegove linije koje sijeku zatvorenu petlju mijenjaju.
Indukovana električna struja
Pod konceptom "indukcije" podrazumeva se nastanak procesa kao rezultat uticaja drugog procesa. Na primjer, električna struja se može inducirati, odnosno može se pojaviti kao rezultat izlaganja vodiča magnetskom polju na poseban način. Takva električna struja naziva se indukovana. Uslovi za nastanak električne struje kao rezultat fenomena elektromagnetne indukcije razmatraju se kasnije u članku.
Koncept magnetnog polja
PrijeDa bismo počeli proučavati fenomen elektromagnetne indukcije, potrebno je razumjeti što je magnetsko polje. Jednostavno rečeno, magnetno polje je prostor u kojem magnetni materijal pokazuje svoje magnetne efekte i svojstva. Ova oblast prostora može se prikazati pomoću linija koje se nazivaju linije magnetnog polja. Broj ovih linija predstavlja fizičku veličinu koja se zove magnetni fluks. Linije magnetnog polja su zatvorene, počinju na sjevernom polu magneta i završavaju na južnom.
Magnetno polje ima sposobnost da djeluje na bilo koji materijal sa magnetnim svojstvima, kao što su željezni provodnici električne struje. Ovo polje karakterizira magnetna indukcija, koja se označava B i mjeri se u teslasima (T). Magnetna indukcija od 1 T je vrlo jako magnetsko polje koje djeluje silom od 1 njutna na tačkasti naboj od 1 kulona, koje leti okomito na linije magnetskog polja brzinom od 1 m/s, odnosno 1 T=1 Ns / (mCl).
Ko je otkrio fenomen elektromagnetne indukcije?
Elektromagnetna indukcija, na čijem principu se zasnivaju mnogi savremeni uređaji, otkrivena je početkom 30-ih godina XIX veka. Otkriće fenomena elektromagnetne indukcije obično se pripisuje Michaelu Faradeyu (datum otkrića - 29. avgust 1831.). Naučnik se zasnivao na rezultatima eksperimenata danskog fizičara i hemičara Hansa Oersteda, koji je otkrio da provodnik kroz koji teče električna struja stvaramagnetno polje oko sebe, odnosno počinje da pokazuje magnetna 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 povezani, na primjer, kroz električnu lampu, tada će električna struja teći kroz takvo kolo.
Kao rezultat toga, Faraday je otkrio fizički proces, uslijed kojeg se u provodniku pojavljuje električna struja zbog promjene magnetskog polja, što je fenomen elektromagnetne indukcije. Istovremeno, za stvaranje inducirane struje nije važno što se kreće: magnetsko polje ili sam provodnik. To se lako može pokazati izvođenjem odgovarajućeg eksperimenta na fenomenu elektromagnetne indukcije. Dakle, postavljajući magnet unutar metalne spirale, počinjemo ga pomicati. Ako spojite krajeve spirale kroz neki indikator električne struje u kolo, 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 kolu.
Faradayev eksperiment
Faradayevi eksperimenti sastojali su se od rada sa provodnikom i trajnim magnetom. Michael Faraday je prvi otkrio da kada se provodnik kreće unutar magnetskog polja, na njegovim krajevima nastaje razlika potencijala. Pokretni provodnik počinje da prelazi linije magnetnog polja, što simuliraefekat promjene ovog polja.
Naučnik je otkrio da pozitivni i negativni znaci rezultirajuće razlike potencijala zavise od smjera u kojem se provodnik kreće. Na primjer, ako je provodnik podignut u magnetskom polju, tada će rezultirajuća razlika potencijala imati polaritet +-, ali ako se ovaj provodnik spusti, tada ćemo već dobiti polaritet -+. Ove promjene predznaka potencijala, čija se razlika naziva elektromotorna sila (EMF), dovode do pojave u zatvorenom kolu naizmjenične struje, odnosno struje koja stalno mijenja svoj smjer u suprotan.
Karakteristike elektromagnetne indukcije koje je otkrio Faraday
Znajući ko je otkrio fenomen elektromagnetne indukcije i zašto postoji indukovana struja, objasnićemo neke od karakteristika ovog fenomena. Dakle, što brže pomičete provodnik u magnetskom polju, to će biti veća vrijednost inducirane struje u kolu. Još jedna karakteristika fenomena je sljedeća: što je veća magnetna indukcija polja, odnosno što je ovo polje jače, veća je razlika potencijala koju može stvoriti pri pomicanju provodnika u polju. Ako provodnik miruje u magnetskom polju, u njemu ne nastaje EMF, jer nema promjene u linijama magnetske indukcije koje prelaze provodnik.
Smjer električne struje i pravilo lijeve ruke
Da biste odredili smjer u provodniku električne struje koja nastaje kao rezultat fenomena elektromagnetne indukcije, možetekoristite 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 istureni palac usmjeren je u smjeru kretanja provodnika u polje magneta, tada će preostala četiri prsta lijeve ruke pokazati smjer kretanja indukovane struje u provodniku.
Postoji još jedna verzija ovog pravila, ona je sljedeća: ako je kažiprst lijeve ruke usmjeren duž linija magnetske indukcije, a istureni palac usmjeren u smjeru provodnika, tada srednji prst okrenut za 90 stepeni u odnosu na dlan pokazaće smer struje koja se pojavila u provodniku.
Fenomen samoindukcije
Hans Christian Oersted je otkrio postojanje magnetnog polja oko provodnika ili zavojnice sa strujom. Naučnik je takođe otkrio da su karakteristike ovog polja direktno povezane sa jačinom struje i njenim smerom. Ako je struja u zavojnici ili vodiču promjenjiva, tada će generirati magnetsko polje koje neće biti stacionarno, odnosno mijenjaće se. Zauzvrat, ovo naizmjenično polje će dovesti do pojave inducirane struje (fenomen elektromagnetne indukcije). Kretanje indukcijske struje uvijek će biti suprotno od naizmjenične struje koja cirkulira kroz vodič, odnosno oduprijet će se svakoj promjeni smjera struje u vodiču ili zavojnici. Ovaj proces se naziva samoindukcija. Rezultirajuća električna razlikapotencijali se nazivaju 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 se povećava zbog smanjenja otpora u kolu.
Za fizički opis otpora nastalog bilo kakvom promjenom struje u kolu zbog samoindukcije, uveden je koncept induktivnosti, 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.
Naizmenična struja
Kada induktor počne da se okreće u magnetskom polju, kao rezultat fenomena elektromagnetne indukcije, stvara indukovanu struju. Ova električna struja je varijabilna, što znači da sistematski mijenja smjer.
Naizmenična struja je češća od jednosmerne struje. Dakle, mnogi uređaji koji rade iz centralne električne mreže koriste ovu vrstu struje. Naizmjeničnu struju je lakše izazvati i transportirati nego jednosmjernu struju. U pravilu, frekvencija naizmjenične struje u domaćinstvu je 50-60 Hz, odnosno u 1 sekundi se njen smjer mijenja 50-60 puta.
Geometrijski prikaz naizmjenične struje je sinusoidna kriva koja opisuje ovisnost napona o vremenu. Puni period sinusoidalne krive za struju u domaćinstvu je približno 20 milisekundi. Prema termičkom efektu, naizmjenična struja je slična strujiDC, čiji je napon Umax/√2, gdje je Umax maksimalni napon na AC sinusnoj krivulji.
Upotreba elektromagnetne indukcije u tehnologiji
Otkriće fenomena elektromagnetne indukcije izazvalo je pravi procvat u razvoju tehnologije. Prije ovog otkrića, ljudi su mogli proizvoditi električnu energiju samo u ograničenim količinama koristeći električne baterije.
Trenutno se ovaj fizički fenomen koristi u električnim transformatorima, u grijačima koji pretvaraju indukovanu struju u toplinu, te u električnim motorima i automobilskim generatorima.
