Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
To ciekawe
Dlaczego zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest dla nas ważne?
Dzięki niemu możliwe jest:
dostarczanie energii elektrycznej do domów (wytwarzanie i przesyłanie z elektrowni),
obniżanie napięcia sieciowego (230 V) do np. 5 V (stosowanego w zasilaczach, ładowarkach akumulatorów itp.),
stosowanie zapisu magnetycznego (z karty magnetycznej, twardego dysku, czy taśmy magnetycznej),
działanie kuchenki indukcyjnej,
oraz, historycznie, odkrycie istnienia fal elektromagnetycznych i zastosowanie ich np. do przenoszenia obrazu i dźwięku na odległość.
Faradaya, odkrywcę zjawiska indukcji elektromagnetycznej, odwiedził w laboratorium brytyjski minister skarbu i zapytał:
- Jaką korzyść z pana badań będzie miała ludzkość?
Faraday odpowiedział:
- Trudno to ocenić, ale jestem pewien, iż pan z tego będzie pobierał podatki.
Nie pomylił się – do opłat za energię elektryczną dostarczaną do domu doliczany jest podatek VAT.
Przedstawiona powyżej lista zastosowań, choć niepełna, robi wrażenie. Z całą pewnością są one obecne w naszym życiu i są inżynierskimi rozwinięciami zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Myślę, że nie masz wątpliwości, że należy je wnikliwie poznać.
W tym e‑materiale:
opiszesz znaczenie, jakie w naszym życiu ma zjawisko indukcji elektromagnetycznej,
objaśnisz, na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej i dlaczego Faradayowi trudno było je odkryć,
przedstawisz warunki, w jakich zachodzi zjawisko indukcji elektromagnetycznej,
uzasadnisz, że zjawisko indukcji elektromagnetycznej wywoływane jest przez siłę magnetyczną Lorentza lub przez siłę elektryczną.
Warto przeczytać
Na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej?
Ogólnie mówiąc: na wytwarzaniu prądu elektrycznegoprądu elektrycznego za pomocą pola magnetycznegopola magnetycznego.
Od 1820 roku (prace Oersteda) wiadomo było, że prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego (e‑materiał „Badanie wpływu przewodników z prądem na zachowanie igły magnetycznej”). Faraday zadał sobie pytanie, czy nie jest też odwrotnie – czy pole magnetyczne nie może być źródłem (przyczyną) prądu elektrycznego. Sprawa nie okazała się jednak prosta. Dopiero w 1831 roku uczony zaobserwował to zjawisko w pewnych szczególnych okolicznościach. Okazało się, że w stabilnych warunkach prąd nie powstaje.
Dlaczego tak się dzieje? Nawet w bardzo silnym, ale stałym w czasie polu magnetycznym prąd w zamkniętym obwodzie „sam z siebie” nie popłynie. Popłynie dopiero wtedy, gdy poruszymy odpowiednio obwód albo zmienimy pole magnetyczne, w którym ten obwód się znajduje.
Kiedy Faraday dostrzegł warunki, przy których powstaje prąd w obecności pola magnetycznego, przeprowadził dziesiątki eksperymentów, które uogólnił i z których wyciągnął ilościowe wnioski w postaci prawa indukcji elektromagnetycznej (e‑materiał „Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya”). Nie będziemy tu mówić o tym prawie, skupimy się jedynie na istocie zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Spróbujemy dostrzec dwoistość tego zjawiska, czyli to, że posiada ono dwie odmiany i odpowiedzieć na pytanie, dlaczego w pewnych warunkach popłynie prąd.
Zastanowimy się, jakie siły powodują prąd indukcyjny, tj. jakie siły działają na swobodne ładunki w przewodniku, powodując ich ruch. Wykorzystamy w tym celu animację.
Słowniczek
stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły (zwanej siłą elektryczną) na ładunek umieszczony w tej przestrzeni; wielkością charakteryzująca pole elektryczne jest wektor natężenia pola elektrycznego .
stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły (zwanej siłą magnetyczną bądź siłą Lorentza) na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni bądź na obiekt obdarzony momentem magnetycznym; wielkością charakteryzującą pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej .
uporządkowany (jeśli chodzi o kierunek) ruch elektronów swobodnych spowodowany działaniem pola elektrycznego bądź magnetycznego; przyjęto, że kierunek prądu elektrycznego jest kierunkiem hipotetycznych ładunków dodatnich – jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów.
siła działająca na ładunek poruszający się w polu magnetycznym, opisana wzorem: . Wartość siły Lorentza: , gdzie jest kątem pomiędzy wektorem prędkości ładunku i wektorem indukcji . Kierunek i zwrot tej siły określony jest regułą trzech palców.
pole wektorowe o strukturze pokazanej na rysunku obok. Takie pole nie jest polem zachowawczym (potencjalnym), gdyż praca wykonana przez silę elektryczną nad ładunkiem wzdłuż obwodu zamkniętego nie jest równa zeru. Realizacją takiej sytuacji jest wzbudzenie prądu indukcyjnego w zamkniętym przewodniku, gdy pole magnetyczne przechodzące przez powierzchnię na nim rozpiętą jest zmienne w czasie.
