Elektromagnetická indukce je velmi složitá věc. Proto to pochopíme pomocí obručí a babiček.
· Aktualizováno 23. června 2023
Obsah
- Magnetický tok
- Elektromagnetická indukce
- Zákon elektromagnetické indukce
- Lenzovo pravidlo
Magnetický tok
Než pochopíte, co je elektromagnetická indukce, musíte definovat takovou entitu jako magnetický tok.
Představte si, že jste vzali do rukou obruč a vyšli ven do deště. Čím silnější déšť, tím více vody projde touto obručí – větší průtok vody.
Pokud je obruč umístěna vodorovně, proteče jí hodně vody. A pokud ji začnete otáčet, je již menší, protože není umístěn v pravém úhlu k vertikále.
Nyní umístíme obruč svisle – neprojde jí ani kapka (pokud samozřejmě nefouká vítr).
Magnetický tok je v podstatě stejný průtok vody obručem, pouze počítáme velikost magnetického pole prošlého oblastí, nikoli déšť.
Magnetický tok přes plochu S obrysu se nazývá skalární fyzikální veličina, která se rovná součinu modulu vektoru magnetické indukce B, plochy povrchu S proniknutého daným tokem a kosinusu úhel α mezi směrem vektoru magnetické indukce a normálovým vektorem (kolmý k rovině daného povrchu):
Magnetický tok
Ф – magnetický tok [Wb]
B – magnetická indukce [T]
S – plocha penetrovaného povrchu [m^2]
n — normálový vektor (kolmý k povrchu) [-]
Magnetický tok lze vizualizovat jako hodnotu úměrnou počtu magnetických čar procházejících danou oblastí.
V závislosti na úhlu α může být magnetický tok kladný (α < 90°) nebo záporný (α >90°). Je-li α = 90°, pak je magnetický tok 0. To závisí na velikosti kosinusu úhlu.
Magnetický tok můžete změnit změnou oblasti obvodu, modulu indukce pole nebo umístění obvodu v magnetickém poli (otočením).
V případě nestejnoměrného magnetického pole a neplochého obrysu se magnetický tok nalézá jako součet magnetických toků pronikající oblastí každého z úseků, na které lze daný povrch rozdělit.
Elektromagnetická indukce
Elektromagnetická indukce – jev výskytu proudu v uzavřeném vodivém obvodu při změně magnetického toku, který jím proniká.
Jev elektromagnetické indukce objevil M. Faraday.
Michael Faraday provedl řadu experimentů, které pomohly objevit fenomén elektromagnetické indukce.
Jednou zažít. Na jedné nevodivé základně byly navinuty dvě cívky: závity první cívky byly umístěny mezi závity druhé. Závity jedné cívky byly uzavřeny na galvanometr a druhá byla připojena ke zdroji proudu.
Když byl klíč zavřený a proud protékal druhou cívkou, v první vznikl proudový impuls. Při rozepnutí spínače byl také pozorován proudový impuls, ale proud galvanometrem protékal v opačném směru.
Zažijte dva. První cívka byla připojena ke zdroji proudu a druhá ke galvanometru. V tomto případě se druhá cívka pohybovala vzhledem k první. Jak se cívka přibližovala nebo vzdalovala, proud byl zaznamenán.
Zažijte tři. Cívka je uzavřena vůči galvanometru a magnet se pohybuje dovnitř (prodlužuje se) vzhledem k cívce
Tyto experimenty ukázaly:
- K indukčnímu proudu dochází pouze při změně čar magnetické indukce.
- Směr proudu se bude lišit, když se počet vedení zvýší a když se sníží.
- Síla indukčního proudu závisí na rychlosti změny magnetického toku. Samotné pole se může změnit nebo se obvod může pohybovat v nerovnoměrném magnetickém poli.
Proč vzniká indukovaný proud?
Proud v obvodu může existovat, když vnější síly působí na volné náboje. Práce vykonaná těmito silami k pohybu jediného kladného náboje podél uzavřené smyčky se rovná emf.
To znamená, že když se změní počet magnetických čar přes povrch omezený obrysem, objeví se v něm emf, které se nazývá indukované emf.
Online kurzy fyziky na Skysmart nejsou o nic méně vzrušující než naše články!
Zákon elektromagnetické indukce
Zákon elektromagnetické indukce (Faradayův zákon) zní takto:
Indukované emf v uzavřené smyčce je stejné a opačné ve znaménku rychlosti změny magnetického toku skrz povrch ohraničený smyčkou.
Matematicky to lze popsat vzorcem:
Faradayův zákon
Ɛi — indukované emf [V]
ΔФ/Δt — rychlost změny magnetického toku [Wb/s]
Znaménko „–“ ve vzorci umožňuje vzít v úvahu směr indukčního proudu. Indukovaný proud v uzavřeném obvodu je vždy směrován tak, aby magnetický tok pole vytvořeného tímto proudem povrchem ohraničeným obvodem omezil ty změny v poli, které způsobily vznik indukovaného proudu.
Pokud se obvod skládá z N závitů (to znamená, že je to cívka), pak bude indukované emf vypočteno následovně.
Faradayův zákon pro obvod N závitů
Ɛi — indukované emf [V]
ΔФ/Δt — rychlost změny magnetického toku [Wb/s]
N – počet otáček [-]
Síla indukčního proudu v uzavřeném vodivém obvodu s odporem R:
Ohmův zákon pro vodivý obvod
Ɛi — indukované emf [V]
I – síla indukčního proudu [A]
R – odpor obvodu [Ohm]
Pohybuje-li se vodič délky l rychlostí v v konstantním rovnoměrném magnetickém poli s indukcí B, emf elektromagnetické indukce se rovná:
Indukční emf pro pohybující se vodič
Ɛi — indukované emf [V]
B – magnetická indukce [T]
v – rychlost vodiče [m/s]
l – délka vodiče [m]
Výskyt indukovaného emf ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli se vysvětluje působením Lorentzovy síly na volné náboje v pohybujících se vodičích. Lorentzova síla hraje v tomto případě roli vnější síly.
Vodič pohybující se v magnetickém poli, kterým protéká indukovaný proud, zažívá magnetické brzdění. Celková práce vykonaná Lorentzovou silou je nulová.
Množství tepla v obvodu se uvolňuje buď působením vnější síly, která udržuje rychlost vodiče nezměněnou, nebo poklesem kinetické energie vodiče.
Ke změně magnetického toku pronikajícího uzavřeným okruhem může dojít ze dvou důvodů:
- v důsledku pohybu obvodu nebo jeho částí v časově konstantním magnetickém poli. To je případ, kdy se vodiče a s nimi volné nosiče náboje pohybují v magnetickém poli
- v důsledku změn v čase magnetického pole se stacionárním obvodem. V tomto případě již nelze výskyt indukovaného emf vysvětlit působením Lorentzovy síly. Jev elektromagnetické indukce ve stacionárních vodičích, ke kterému dochází při změně okolního magnetického pole, popisuje i Faradayův vzorec
Jevy indukce v pohyblivých a stacionárních vodičích tedy probíhají stejným způsobem, ale fyzikální důvod vzniku indukčního proudu se v těchto dvou případech ukazuje být odlišný:
- v případě pohyblivých vodičů je indukované emf způsobeno Lorentzovou silou
- v případě stacionárních vodičů je indukované emf důsledkem působení na volné náboje vířivého elektrického pole, ke kterému dochází při změně magnetického pole.
Lenzovo pravidlo
Chcete-li určit směr indukčního proudu, musíte použít Lenzovo pravidlo.
Akademicky je toto pravidlo následující: indukovaný proud vybuzený v uzavřené smyčce při změně magnetického toku je vždy směrován tak, že magnetické pole, které vytváří, brání změně magnetického toku způsobujícího indukovaný proud.
Zkusme to trochu jednodušeji: cívka je v tomto případě nespokojená babička. Odebírají jí magnetický tok – je nešťastná a vytváří magnetické pole, které chce tento magnetický tok vzít zpět.
Dají jí magnetický tok, vezmou ho, říkají, použij ho, a ona říká: “Proč jsem se vzdala tvého magnetického toku!” a vytváří magnetické pole, které tento magnetický tok vypudí.
