Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

około 12 minut

W tej lekcji1/14

Londyn, 29 sierpnia 1831 roku. Michael Faraday od dziesięciu lat próbuje odwrócić odkrycie Oersteda: skoro prąd wytwarza pole magnetyczne, to może pole magnetyczne wytworzy prąd? Podłącza zwojnicę do galwanometru — bardzo czułego miernika prądu — i wsuwa do niej magnes. Zostawia go tam. Czeka. Wskazówka stoi na zerze. Po godzinie zniecierpliwiony wyszarpuje magnes z cewki i wtedy wskazówka nagle podskakuje. Sekret nie siedział w magnesie. Siedział w tym jednym szarpnięciu. Dzięki niemu masz dziś prąd w gniazdku.

Doświadczenie Faradaya — ruch zamiast baterii

Zestaw jest zaskakująco ubogi: zwojnica z kilkuset zwojów, magnes sztabkowy i galwanometr, czyli miernik pokazujący nawet maleńki prąd, w obie strony od zera. W tym obwodzie nie ma żadnej baterii. Nie ma nic, co mogłoby wymusić przepływ prądu. A jednak prąd popłynie.

Pole magnesu sztabkowego. Im bliżej zwojnicy magnes, tym więcej tych linii przez nią przechodzi — i to właśnie ta liczba musi się zmieniać

Warunek indukcji

Prąd w zwojnicy płynie tylko wtedy, gdy pole magnetyczne przechodzące przez tę zwojnicę się zmienia.

Nie wystarczy, żeby pole było silne. Ono musi rosnąć albo maleć.

Zjawisko nazywamy indukcją elektromagnetyczną, powstający prąd — prądem indukcyjnym, a napięcie, które go wywołuje — napięciem indukowanym (oznaczamy je $U$ ).

Jest jeszcze jeden szczegół, który łatwo przeoczyć: nieważne, co się rusza. Możesz wsuwać magnes do nieruchomej cewki albo nasuwać cewkę na leżący magnes — galwanometr pokaże to samo. Liczy się ruch względny magnesu i zwojnicy, bo tylko on decyduje o tym, czy pole przez zwojnicę rośnie, czy maleje.

Prądnica, czyli silnik puszczony od tyłu

Znasz już silnik elektryczny: bateria wymusza prąd w ramce, pole magnetyczne działa na ten prąd siłą elektrodynamiczną i ramka się kręci. Energia elektryczna zamienia się w mechaniczną.

Silnik: bateria wymusza prąd w wirniku umieszczonym w polu magnesu

Prądnica: ta sama maszyna od tyłu

A teraz zrób coś przewrotnego. Wyjmij z tego obwodu baterię, w jej miejsce wepnij żarówkę i zakręć wirnikiem ręcznie. Ramka obraca się w polu magnetycznym, więc pole przechodzące przez nią raz rośnie, raz maleje — a to jest dokładnie warunek indukcji. W obwodzie płynie prąd i żarówka świeci. Ta sama maszyna, przewrócona do góry nogami, nazywa się prądnicą (albo generatorem).

Maszyna	Co dostaje	Co oddaje
silnik	energię elektryczną z baterii	ruch wirnika
prądnica	ruch wirnika z zewnątrz	energię elektryczną

Skąd bierze się prąd w twoim gniazdku

1
I teraz najważniejsze zdanie tej lekcji o twoim domu. Prąd w gniazdku nie bierze się z żadnego magazynu prądu — on jest w tej chwili wytwarzany.
2
W elektrowni ogromna turbina kręci wirnikiem, czyli potężnym elektromagnesem, wewnątrz nieruchomych cewek. Pole przez te cewki bez przerwy rośnie i maleje, więc bez przerwy indukuje się w nich napięcie.
3
Węgiel, wiatr, spadająca woda, para z reaktora — wszystkie źródła energii robią w elektrowni jedno i to samo: kręcą wirnikiem prądnicy.
4
Wirnik obraca się $50$ razy na sekundę, dlatego napięcie w gniazdku ciągle zmienia zwrot i mówimy o prądzie przemiennym o częstotliwości $50\ Hz$ i napięciu $230\ V$ .
Wskazówka
Gdy w domu gaśnie światło, zwykle nie zabrakło prądu w kablu. Po prostu gdzieś przestał się kręcić wirnik albo urwał się przewód po drodze.

Wszystkie kroki za Tobą!

Doświadczenie Faradaya krok po kroku

1
Zwojnicę z kilkuset zwojów podłącz do galwanometru. Sprawdź, że w obwodzie nie ma baterii ani żadnego innego źródła napięcia. Wskazówka stoi na zerze, pośrodku skali.
2
Wsuń magnes do środka zwojnicy biegunem północnym do przodu. Wskazówka wychyla się w jedną stronę, ale tylko w trakcie wsuwania. Gdy ręka staje, wskazówka wraca na zero.
3
Zatrzymaj magnes w środku cewki i potrzymaj go tam chwilę. Wskazówka stoi na zerze, choć magnes tkwi dokładnie tam, gdzie sekundę wcześniej dawał prąd. Pole jest, i to silne, ale się nie zmienia.
4
Wysuń magnes z cewki. Wskazówka znów drga, tym razem w przeciwną stronę. Odwrócenie kierunku ruchu odwraca kierunek prądu indukcyjnego.
5
Powtórz wsuwanie dużo szybciej. Wychylenie jest wyraźnie większe, bo pole zmienia się gwałtowniej. Tak samo zadziała mocniejszy magnes i cewka o większej liczbie zwojów.
Wskazówka
Trzy pokrętła do zapamiętania: prędkość ruchu, siła magnesu, liczba zwojów. Każde z nich podkręca napięcie.
6
Na koniec odwróć role: połóż magnes na stole i nasuwaj na niego cewkę. Galwanometr zachowa się identycznie, bo liczy się tylko ruch względny magnesu i zwojnicy.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Bardzo silny magnes neodymowy tkwi nieruchomo dokładnie w środku zwojnicy podłączonej do galwanometru. Nikt niczym nie porusza. Czy przez zwojnicę płynie prąd indukcyjny?

Pułapka! Sam magnes w cewce to za mało

Najczęstsze nieporozumienie brzmi tak: skoro magnes jest w środku zwojnicy, to prąd płynie. Im mocniejszy magnes, tym większy prąd. To nieprawda i Faraday stracił na tym dziesięć lat.

Pułapka! Pięć sytuacji do sprawdzenia

Przejrzyj tę tabelkę i sprawdź, czy zgadzasz się z każdym wierszem:

Co robisz z magnesem	Czy pole przez zwojnicę się zmienia	Czy płynie prąd
wsuwasz go do cewki	tak, rośnie	tak
trzymasz nieruchomo w środku	nie, jest stałe	nie
wysuwasz go z cewki	tak, maleje	tak, w drugą stronę
przesuwasz szybko obok cewki	tak, i to szybko	tak, silniejszy
leży na stole metr od cewki	nie	nie

Pułapka! Prądnica musi się kręcić bez przerwy

Stąd bierze się rzecz, która na pierwszy rzut oka wygląda dziwnie: prądnica musi się kręcić bez przerwy. Gdyby wystarczył sam magnes, elektrownia byłaby wielkim składem magnesów i nikt nie musiałby palić węgla. Musi jednak ktoś stale wykonywać pracę i kręcić wirnikiem — energia elektryczna nie bierze się znikąd.

Gdzie ta indukcja siedzi w twoim dniu

1
Gniazdko w ścianie. Cały prąd, którym ładujesz telefon, powstał przed sekundą w prądnicy jakiejś elektrowni i przyjechał do ciebie kablami. Węgiel, wiatr i woda różnią się tylko tym, czym kręcą wirnikiem.
2
Dynamo rowerowe. Kółeczko przy oponie kręci małym magnesem obok cewki. Jedziesz szybciej, magnes obraca się szybciej, pole zmienia się gwałtowniej i lampka świeci jaśniej. Zatrzymujesz się przed przejściem i światło gaśnie, bo zniknął ruch.
3
Ładowarka indukcyjna do telefonu. W podstawce siedzi cewka, przez którą płynie prąd zmienny, więc wytwarza pole zmieniające się setki tysięcy razy na sekundę. Druga cewka, ukryta w telefonie, ma w tym polu indukowane napięcie. Prąd przechodzi do telefonu bez żadnego styku, przez plastik obudowy.
4
Kuchenka indukcyjna. Zmienne pole cewki pod płytą indukuje prądy wirowe w dnie stalowego garnka i to one go grzeją. Szkło płyty pozostaje stosunkowo chłodne, a garnek z aluminium albo szkła w ogóle nie zadziała, bo nie da się w nim wzbudzić takich prądów.
5
Karta zbliżeniowa i bilet miejski. W karcie nie ma baterii — jest tylko cewka z drucika i mikroczip. Czytnik wysyła zmienne pole, cewka karty zamienia je na napięcie i przez ułamek sekundy czip ma z czego działać, żeby odesłać numer karty.
Wskazówka
Za każdym razem to ta sama zasada z 1831 roku. Zmienia się tylko to, co się porusza: magnes, wirnik albo samo pole.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Wsuwasz magnes do zwojnicy biegunem północnym do przodu i wskazówka galwanometru wychyla się w prawo. Nie odwracasz magnesu — po prostu wysuwasz go z cewki tym samym ruchem, tylko na zewnątrz. W którą stronę wychyli się teraz wskazówka?

Ściąga do zapamiętania

Kiedy w zwojnicy pojawia się prąd indukcyjny i od czego zależy jego napięcie?

Indukcja elektromagnetyczna (Faraday, $1831$ ): prąd w zwojnicy pojawia się wtedy i tylko wtedy, gdy pole magnetyczne przechodzące przez nią się zmienia — rośnie albo maleje.
• Pułapka: magnes leżący nieruchomo w cewce nie daje prądu, choćby był najsilniejszy. Jego pole jest stałe.
• Wsuwanie magnesu daje prąd w jedną stronę, wysuwanie w przeciwną. Liczy się ruch względny magnesu i zwojnicy — nieważne, co się porusza.
• Napięcie $U$ jest tym większe, im szybszy ruch, im silniejszy magnes i im więcej zwojów ma cewka.
• Prądnica to silnik na odwrót: silnik dostaje prąd i oddaje ruch, prądnica dostaje ruch i oddaje prąd.
• W elektrowni turbina kręci wirnikiem wewnątrz cewek — stąd prąd przemienny w gniazdku, o napięciu $230\ \text{V}$ i częstotliwości $50\ \text{Hz}$ .
• Zastosowania: prądnica, dynamo rowerowe, ładowarka indukcyjna, kuchenka indukcyjna, karta zbliżeniowa.

Sprawdź się!

Kiedy w zwojnicy podłączonej do galwanometru popłynie prąd indukcyjny?

Bardzo silny magnes tkwi nieruchomo w środku zwojnicy. Co pokaże galwanometr?

Obwód doświadczenia Faradaya: zwojnica i galwanometr

Co zwiększy napięcie indukowane w cewce podczas wsuwania magnesu?

Czym różni się prądnica od silnika elektrycznego?

Skąd bierze się prąd, który płynie z gniazdka w twoim domu?

Następny temat

Zastosowania elektromagnetyzmu