Prawo indukcji Faradaya
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na powstawaniu siły elektromotorycznej SEM w obwodzie podczas przemieszczania się względem siebie źródła pola magnetycznego i tego obwodu. Mówimy, że w obwodzie jest indukowana siła elektromotoryczna indukcji (SEM indukcji). W obwodzie zamkniętym SEM indukcji wywołuje przepływ prądu indukcyjnego i w konsekwencji powstanie wytwarzanego przez ten prąd indukowanego pola magnetycznego.
Na Rys. 1 pokazany jest efekt wywołany przemieszczaniem źródła pola magnetycznego (magnesu) względem nieruchomej przewodzącej pętli (obwodu).
Doświadczenie pokazuje, że indukowane: siła elektromotoryczna, prąd i pole magnetyczne powstają w obwodzie tylko podczas ruchu magnesu. Gdy magnes spoczywa to bez względu na to czy znajduje się w oddaleniu od obwodu czy bezpośrednio przy nim nie obserwujemy zjawiska indukcji. Ponadto, gdy magnes rusza z miejsca i zwiększa swoją prędkość to rośnie indukowane pole magnetyczne, co oznacza, że rosną SEM indukcji i prąd indukowany. Dzieje się tak aż do chwili, gdy magnes zacznie poruszać się ze stałą prędkością. Natomiast gdy magnes zatrzymuje się (jego prędkość maleje) to indukowane pole, SEM i prąd również maleją zanikając do zera z chwilą zatrzymania magnesu.
Doświadczenie pokazuje, że prąd indukcyjny obserwujemy, gdy źródło pola magnetycznego porusza się względem nieruchomej pętli (obwodu), ale również gdy przewód w kształcie pętli porusza się w obszarze pola magnetycznego. Oznacza to, że dla powstania prądu indukcyjnego potrzebny jest względny ruch źródła pola magnetycznego i przewodnika.
Na podstawie powyższych obserwacji Faraday doszedł do wniosku, że o powstawaniu siły elektromotorycznej indukcji decyduje szybkość zmian strumienia magnetycznego \( \phi_{B} \). Ilościowy związek przedstawia prawo Faradaya.
Analogicznie jak strumień pola elektrycznego \( E \), strumień pola magnetycznego \( B \) przez powierzchnię \( S \) jest dany ogólnym wzorem
który dla płaskiego obwodu w jednorodnym polu magnetycznym wyrażenie upraszcza się do postaci
gdzie \( \alpha \) jest kątem między polem \( B \), a wektorem powierzchni \( S \) (normalną do powierzchni).
Widzimy, że możemy zmienić strumień magnetyczny, i w konsekwencji wyindukować prąd w obwodzie, zmieniając wartość pola magnetycznego w obszarze, w którym znajduje się przewodnik. Taką sytuację mamy przedstawioną na Rys. 1. Magnes jest zbliżany do obwodu i w wyniku tego narasta pole magnetyczne (pochodzące od magnesu) przenikające przez obwód (pętlę). Gdy magnes zostaje zatrzymany, pole wewnątrz pętli przestaje zmieniać się i nie obserwujemy zjawiska indukcji.
Również zmiana wielkości powierzchni \( S \) obwodu powoduje zmianę strumienia magnetycznego. W trakcie zwiększania (lub zmniejszania) powierzchni zmienia się liczba linii pola magnetycznego przenikających (obejmowanych) przez powierzchnię \( S \) obwodu. W rezultacie w obwodzie zostaje wyindukowany prąd.
Wreszcie, zmianę strumienia magnetycznego można uzyskać poprzez obrót obwodu w polu magnetycznym (zmiana kąta \( \alpha \)) tak jak pokazano na Rys. 2.
Zwróćmy uwagę na to, że strumień zmienia zarówno swoją wartość, jak i znak, więc indukowana jest zmienna SEM. Jeżeli ramka obraca się z prędkością kątową \( \omega =\alpha t \) to strumień (zgodnie ze wzorem ( 3 ) ) jest dany wyrażeniem
a SEM indukcji
Indukowana jest zmienna SEM i tym samym zmienny prąd. Ten sposób jest właśnie wykorzystywany powszechnie w prądnicach (generatorach prądu).
Zadanie 1: Indukcja w ramce
Treść zadania:
Oblicz średnią SEM jaka indukuje się w kwadratowej ramce o boku \( 5 \) cm, zawierającej \( 100 \) zwojów podczas jej obrotu o \( 180° \). Ramka jest umieszczona w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji \( B= 1 \) T prostopadle do linii pola i wykonuje obrót w czasie \( 0.1 \) s.
\( \varepsilon= \)
Symulacja 1: Prawo Faraday'a
Zbadaj prawo Faraday’a jak zmieniający się strumień pola magnetycznego generuje powstanie siły elektromotorycznej i przepływ prądu.
Wersja polska symulacji do pobrania w formacie Java
Symulacja 2: Elektromagnetyczne laboratorium Faradya
Pobierz symulacjęWykorzystaj magnesy sztabkowe i cewki do poznania prawa Faraday’a. Przesuń magnes obok 1 lub 2 cewek, tak aby żarówka zaświeciła. Obserwuj linie pola magnetycznego. Miernik wskazuje kierunek i wartość pola magnetycznego. W programie można także wykorzystać elektromagnesy, generatory i transformatory.
Symulacja 3: Generator
Pobierz symulacjęWprawiaj w ruch magnesy i cewki, obserwuj indukowanie prądów i napięć.