Elektromagnetická indukce
Vzhled při indukci EMF vodiče
Pokud dáte magnetické pole drátem a přesuňte jej tak, aby při pohybu protínal siločáry, pak drát bude mít elektromotorická sílaNazývá se indukce EMF.
Indukční EMF se objeví ve vodiči, i když samotný vodič zůstane nehybný a magnetické pole se bude pohybovat a protínat vodič svými siločárami.
Je-li vodič, ve kterém se indukuje indukční EMF, uzavřen na jakýkoli vnější obvod, pak při působení tohoto EMF bude obvodem protékat proud, tzv. indukční proud.
Jev indukce EMF ve vodiči, když protíná jeho magnetické siločáry, se nazývá elektromagnetická indukce.
Elektromagnetická indukce je obrácený proces, tedy přeměna mechanické energie na elektrickou energii.
Fenomén elektromagnetické indukce je široce používán v elektrotechnika… Zařízení různých elektrických strojů je založeno na jeho použití.
Velikost a směr indukce EMF
Uvažujme nyní, jaká bude velikost a směr EMF indukovaného ve vodiči.
Velikost indukčního EMF závisí na počtu siločar protínajících drát za jednotku času, tj. na rychlosti pohybu drátu v poli.
Velikost indukovaného EMF je přímo úměrná rychlosti pohybu vodiče v magnetickém poli.
Velikost indukovaného EMF také závisí na délce té části drátu, kterou siločáry protínají. Čím větší část vodiče protíná siločáry, tím větší je indukované emf ve vodiči. Konečně, čím silnější je magnetické pole, to znamená, čím větší je jeho indukce, tím větší je EMF ve vodiči procházejícím tímto polem.
Hodnota EMF indukce vyskytující se ve vodiči, když se pohybuje v magnetickém poli, je tedy přímo úměrná indukci magnetického pole, délce vodiče a rychlosti jeho pohybu.
Tato závislost je vyjádřena vzorcem E = Blv,
kde E je indukční EMF; B – magnetická indukce; I je délka drátu; v je rychlost drátu.
Je třeba si pevně pamatovat, že ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli dochází k EMF indukce pouze tehdy, je-li tento vodič protnut magnetickými siločárami pole. Pokud se vodič pohybuje po siločarách, to znamená, že se nekříží, ale zdá se, že po nich klouže, pak se v něm neindukuje žádné EMF. Proto výše uvedený vzorec platí pouze tehdy, když se drát pohybuje kolmo k siločarám magnetického pole.
Směr indukovaného emf (stejně jako proud ve vodiči) závisí na směru, ve kterém se vodič pohybuje. Pro určení směru indukovaného EMF existuje pravidlo pravé ruky.
Pokud držíte dlaň pravé ruky tak, aby do ní vstupovaly siločáry magnetického pole, a ohnutý palec by ukazoval směr pohybu vodiče, pak roztažené čtyři prsty označují směr působení indukovaného EMF a směr proudu ve vodiči.
Pravidlo pravé ruky
Indukce EMF v cívce
Již jsme řekli, že pro vytvoření EMF indukce ve vodiči je nutné přesunout buď samotný vodič, nebo magnetické pole do magnetického pole. V obou případech musí být vodič překřížen siločarami magnetického pole, jinak nebude indukováno žádné emf. Indukované emf, a tedy i indukovaný proud, se může vyskytovat nejen v přímém drátu, ale také v drátu stočeném do cívky.
Při pohybu uvnitř cívky permanentního magnetu se v něm indukuje EMF tím, že magnetický tok magnetu protíná závity cívky, tedy stejně jako při pohybu rovného drátu v poli magnetu.
Pokud je magnet pomalu spouštěn do cívky, pak EMF vznikající v něm bude tak malý, že se jehla zařízení nemusí ani vychýlit. Pokud se naopak magnet rychle zasune do cívky, bude výchylka šipky velká. To znamená, že velikost indukovaného EMF a tedy i síla proudu v cívce závisí na rychlosti magnetu, tedy na tom, jak rychle siločáry pole protínají závity cívky. Pokud se nyní střídavě zpočátku do cívky stejnou rychlostí vkládá silný magnet a pak slabý magnet, pak si všimnete, že se silným magnetem se jehla zařízení vychýlí pod větším úhlem.To znamená, že velikost indukovaného EMF a tedy i síla proudu v cívce závisí na velikosti magnetického toku magnetu.
Konečně, pokud se stejný magnet zavede stejnou rychlostí, nejprve do cívky s velkým počtem závitů a poté s mnohem menším počtem, pak se v prvním případě jehla zařízení vychýlí o větší úhel než v druhý. To znamená, že velikost indukovaného EMF a tedy i síla proudu v cívce závisí na počtu jejích závitů. Stejných výsledků lze dosáhnout, pokud se místo permanentního magnetu použije elektromagnet.
Směr indukce EMF v cívce závisí na směru pohybu magnetu. Jak určit směr EMF indukce, říká zákon stanovený E. H. Lenzem.
Lenzův zákon elektromagnetické indukce
Jakákoli změna magnetického toku uvnitř cívky je doprovázena výskytem indukce EMF v ní a čím rychlejší je změna magnetického toku pronikajícího do cívky, tím větší je EMF v ní.
Pokud je cívka, ve které se vytváří indukční EMF, uzavřena do vnějšího obvodu, pak jejími závity protéká indukční proud, který vytváří magnetické pole kolem drátu, díky kterému se cívka změní na solenoid. Ukazuje se, že měnící se vnější magnetické pole indukuje v cívce indukovaný proud, který zase vytváří své vlastní magnetické pole kolem cívky – proudové pole.
Studiem tohoto jevu E. H. Lenz stanovil zákon, který určuje směr indukčního proudu v cívce a podle toho i směr indukčního EMF.Emf indukce vyskytující se v cívce, když se v ní mění magnetický tok, vytváří v cívce proud v takovém směru, že magnetický tok cívky vytvořený tímto proudem zabraňuje změně vnějšího magnetického toku.
Lenzův zákon platí pro všechny případy indukce proudu ve vodičích, bez ohledu na tvar vodičů a způsob dosažení změny vnějšího magnetického pole.
Když se permanentní magnet pohybuje vzhledem k cívce drátu připojené ke svorkám galvanometru, nebo když se cívka pohybuje vzhledem k magnetu, generuje se indukovaný proud.
Indukční proudy v masivních vodičích
Měnící se magnetický tok je schopen indukovat EMF nejen v závitech cívky, ale také v masivních kovových vodičích. Magnetický tok, pronikající tloušťkou masivního vodiče, v něm indukuje EMF, což vytváří indukční proudy. Tyto tzv vířivé proudy rozprostřeny po pevném drátu a jsou v něm zkratovány.
Jádra transformátorů, magnetická jádra různých elektrických strojů a přístrojů jsou pouze ty masivní dráty, které jsou zahřívány indukčními proudy v nich vznikajícími.Tento jev je proto nežádoucí, aby se zmenšila velikost indukčních proudů, části elektrické stroje a jádro transformátoru nejsou masivní, ale sestávají z tenkých plechů izolovaných od sebe papírem nebo vrstvou izolačního laku. Proto je cesta šíření vířivých proudů podél hmoty vodiče zablokována.
Někdy se však v praxi jako užitečné proudy používají také vířivé proudy. Využití těchto proudů vychází např. z prac indukční ohřívací pece, elektroměry a tzv. magnetické tlumiče pohyblivých částí elektrických měřicích přístrojů.