Elektromagnetická indukce: základy, principy a moderní aplikace

Elektromagnetická indukce je jev, při kterém každá změna magnetického pole vyvolává ve vodiči vznik elektrického napětí. To je podstata elektromagnetické indukce. Pokud se v místě vodiče mění magnetické pole, je tzv. nestacionární.

Historický kontext objevu

Začátkem 19. století byly podrobně prozkoumány jevy, kdy elektrický proud vytvářel ve svém okolí magnetické pole. Tehdy si začínající anglický fyzik Michael Faraday položil otázku, zda by se proces nedal obrátit. Mohlo by magnetické pole generovat elektrický proud? Teprve po několika letech v roce 1831 Faraday zjistil, že odpověď je kladná - objevil elektromagnetickou indukci.

Michael Faraday (1791-1867) byl jedním z nejlepších experimentálních fyziků všech dob. Narodil se v Anglii ve velmi chudé a nábožensky založené rodině. Jeho otec byl kovář, ale byl často nemocný a neschopný soustavné práce. Rodina neměla často ani na jídlo, a Michael proto musel od svých 12 let začít vydělávat. Dostal se do učení ke knihvazači, kde jeho rukama procházely nejrůznější knihy. Stal se tak vědcem samoukem a později získal místo laboranta u slavného chemika Humphryho Davyho. Postupně se vypracoval v úspěšného vědce, a tak mohl být ve svých 33 letech přijat za člena slavné Královské společnosti (Royal Society for the Improvement of Natural Knowledge), přestože neměl žádné formální vzdělání.

Slavnými se staly jeho přednášky, které později pořádal pro členy Královské společnosti. Faraday na nich předváděl mnoho experimentů a měl s nimi velký úspěch také u široké veřejnosti. Nejslavnějším Faradayovým vědeckým počinem zůstává objev elektromagnetické indukce. Tím umožnil pozdější masové využití elektřiny, neboť indukce je základem elektrického generátoru. Zabýval se i mnoha dalšími jevy, objevil zákony elektrolýzy či zkoumal nové druhy ocelových slitin. Objevil také nové chemické sloučeniny a vynalezl princip zkapalňování plynů. Celý život zůstal skromným člověkem. Odmítl povýšení do šlechtického stavu i nabídku, aby se stal prezidentem Královské společnosti.

Základy elektromagnetické indukce

Každá změna magnetického pole vyvolává ve vodiči vznik elektrického napětí. Důležitá je zejména pro prstence nebo smyčky vodiče, které se tak mohou začít chovat jako zdroj elektromotorického napětí. Mezi elektrickým a magnetickým polem je těsná souvislost - nestacionární magnetické pole je příčinou vzniku nestacionárního elektrického pole (a naopak).

Čtěte také: Recyklace kabelové cívky

Příčina vzniku elektrického napětí ve vodiči umístěném v nestacionárním magnetickém poli vyplývá z chování nabitých částic v magnetickém poli. Časově proměnná síla uvede do pohybu volné nosiče náboje (v kovech to jsou elektrony) a vytvoří se nerovnovážný stav. Nestacionární pole je příčinou vzniku indukovaného elektrického pole a tento jev nazývá elektromagnetická indukce.

Nestacionární magnetické pole je možné vytvořit tak, že budeme pohybovat magnetem. Budeme-li jím pohybovat v blízkosti cívky, k níž je připojen voltmetr, je možné na voltmetru pozorovat výchylku. Výchylka při přiblížení a oddálení magnetu je opačná.

Elektromagnetická indukce nastane i v případě zapojení obvodu, kde nestacionární magnetické pole vzniká jako důsledek změn proudu v primární cívce P, která je vzhledem k cívce sekundární S v klidu. Při sepnutí vypínače v obvodu primární cívky vzniká v sekundární cívce indukované napětí a ručka voltmetru se vychýlí na jednu stranu. V případě dlouhodobě sepnutého vypínače se v sekundární cívce nebude indukovat žádné napětí. Indukované elektrické pole se liší od elektrického pole tvořeného náboji (to jsme označili jako zřídlové pole). Siločáry indukovaného elektrického pole jsou uzavřené křivky - jde tedy o pole vírové.

K elektromagnetické indukci dochází pouze při změně magnetického pole - tedy jen při zapínání a vypínání cívky. Budeme-li cívku spínat s vysokou frekvencí, budou LEDky se stejnou frekvencí blikat. Pokud cívka rotuje v magnetickém poli, indukuje se v ní elektrické napětí a proud. K indukci tedy dochází i v případě, že magnetické pole je neměnné, ale cívka se v něm otáčí. Je to stejné, jako kdyby byla cívka v klidu a nacházela se v rotujícím (tedy proměnlivém) magnetickém poli.

Lenzův zákon a vířivé proudy

Pokud se snažíme magnet vsunout do kroužku, kroužek se od magnetu odpuzuje. Naopak při vysouvání magnetu se kroužek k magnetu přitahuje. Tento pokus ukazuje, že indukovaný proud vždy vytváří své vlastní magnetické pole. Toto indukované pole má vždy takový směr, že brzdí pohyb magnetu. Vidíme, že indikovaný proud není „zadarmo“.

Čtěte také: Detailní popis podlahové lišty Arbiton Lars 12 Brazilian Walnut

Položíme magnet na silnou měděnou desku (měď je vodivá ale není feromagnetická) a desku nakloníme. V desce se indukují proudy, jejichž magnetické pole brání magnetu v pohybu. Proudy, které se indukují v objemu vodivého tělesa, se nazývají vířivé proudy, neboť jejich směr není ohraničen vodičem. Vířivé proudy ohřívají vodič, kterým tečou.

Vzorce a vztahy

Elektromagnetickou indukci a indukované napětí můžeme popsat kvantitativně pomocí Faradayova zákona. Podle Faradayova zákona vzniká ve smyčce indukované elektrické napětí \(U_\mathrm{i}\) úměrné rychlosti změny magnetického pole. Indukované napětí na jednom vodivém závitu závisí na tom, jak rychle a jak moc se mění „počet magnetických indukčních čar procházejících tímto závitem“. K tomu je potřeba zavést novou fyzikální veličinu, která se nazývá magnetický indukční tok \(\Phi\) a má jednotku weber (Wb).

Magnetický indukční tok vyjadřuje, kolik magnetického pole právě prochází nějakou plochou - např. průřezem smyčky vodiče. Intuitivně si jej můžeme představit jako množství magnetických indukčních čar, které procházejí skrz smyčku (a vracejí se vnějškem). Zřejmě tedy záleží na velikosti B (obvykle jej znázorňujeme právě hustotou čar), velikostí plochy S a orientací S vůči směru B. Předpokládáme, taky že je B v rovině této smyčky alespoň přibližně homogenní. Přesný vzorec záleží na tom vůči, čemu tento úhel vztahujeme (jestli k rovině smyčky nebo ke kolmici na ni).

V případě, kdy je \(\vec{B}\) kolmé na \(S\), je \(\alpha=0^\circ\). Pak je \(\Phi\) maximální a platí \(\Phi=BS\). Naopak v případě, kdy vektor \(\vec{B}\) leží v rovině plochy \(S\), je \(\alpha=90^\circ\). Pokud míří B kolmo na smyčku, dostaneme každopádně \(\cos 0^\circ\) resp. Nejvyšší magnetický tok tedy bude, když je magnet uprostřed smyčky.

Faradayův zákon elektromagnetické indukce v diferenciálním tvaru je:

Čtěte také: Kabelové pláště: PVC, PUR a TPE – Co je dobré vědět?

\[ U = -\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}\;. \]

V případě, že se jedná o magnetický indukční tok cívkou, jej můžeme vyjádřit jako součin proudu \(I\) a konstanty \(L\) popisující danou cívku. \(L\) se nazývá indukčnost cívky a platí \(\Phi=LI\). Velkou indukčnost bude mít cívka s velkým počtem velkých závitů a feromagnetickým jádrem.

\[ U = -L\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}\;. \]

Moderní aplikace elektromagnetické indukce

Princip elektromagnetické indukce se používá v elektrárnách ke generování střídavého napětí, i jeho transformaci na 230 V do našich zásuvek. Elektromagnetická indukce vysvětluje, jak změny magnetického pole generují elektrické napětí a proud v obvodu. Vyvolává ji změna magnetického pole (například pohyb magnetu vůči cívce nebo naopak).

Indukční technologie v domácnosti a dopravě

  • Indukční vařiče: Využívají elektromagnetickou indukci k ohřevu feromagnetického nádobí.
  • Elektrodynamické mikrofony a reproduktory: Membrána je spojena s cívkou, která se střídavě pohybuje dovnitř a ven v magnetickém poli permanentního magnetu. Pokud cívkou v magnetickém poli teče proud, působí na ni magnetická síla.
  • Bezkontaktní doprava (Maglev): Technologie magnetické levitace využívá elektromagnetické síly k tomu, aby vlaky levitovaly nad kolejnicemi, což minimalizuje tření a umožňuje vysoké rychlosti při velmi nízké spotřebě energie. Maglev vlaky by mohly být budoucností dopravy, kdy bychom mohli cestovat mezi městy, zeměmi nebo dokonce kontinenty bez jakéhokoli tření, což by vedlo k mnohem vyšší účinnosti a menší spotřebě energie.

Bezdrátový přenos energie

V současnosti již existují technologie pro bezdrátové nabíjení, jak jsme zmiňovali například u mobilních telefonů. Pokud by se technologie bezdrátového přenosu energie stala komerčně dostupnou na větší škále, mohli bychom si představit situace, kdy by zařízení jako elektromobily, drony nebo dokonce domácí spotřebiče byly schopné „dobíjet se“ bez jakéhokoli kabelového připojení. Technologie pro bezdrátový přenos energie na dlouhé vzdálenosti je stále v plenkách, ale stále více se zkoumá a testuje. Jedním z přístupů je použití rezonance - podobně jako rezonance v ladění hudebních nástrojů nebo elektromagnetických vln. Při rezonanci elektromagnetického pole dochází k maximálnímu přenosu energie mezi vysílacím a přijímacím zařízením.

Vesmírná doprava a kolonizace Marsu nebo jiných planet by mohly těžit z pokročilých metod bezdrátového přenosu energie. Například pro satelity nebo meziplanetární stanice by bylo velmi výhodné používat bezdrátový přenos energie, který by je napájel z orbitálních solárních panelů nebo z jiných zdrojů energie umístěných v kosmu.

Lékařství a inteligentní energetické sítě

  • Magnetická rezonance (MRI): Technologie založené na elektromagnetické indukci již hrají klíčovou roli v oblasti lékařské diagnostiky, zejména v magnetické rezonanci (MRI). Tento přístroj využívá silná magnetická pole k zobrazení vnitřních struktur těla.
  • Inteligentní energetické sítě (Smart Grids): Elektromagnetická indukce by mohla hrát klíčovou roli v monitorování a řízení distribuce energie. V těchto systémech by magnetická pole mohla být použita pro bezdrátové přenosy energie, což by vedlo k efektivnějším a flexibilnějším způsobům distribuce energie.

Shrnutí klíčových pojmů

Pojem Popis
Elektromagnetická indukce Jev, při kterém změna magnetického pole vyvolává vznik elektrického napětí ve vodiči.
Faradayův zákon Kvantitativně popisuje indukované napětí ve smyčce jako úměrné rychlosti změny magnetického toku.
Magnetický indukční tok (\(\Phi\)) Fyzikální veličina vyjadřující množství magnetického pole procházejícího danou plochou. Jednotka je weber (Wb).
Indukované napětí (\(U_\mathrm{i}\)) Elektrické napětí vzniklé ve vodiči v důsledku elektromagnetické indukce.
Lenzův zákon Indukovaný proud vždy vytváří magnetické pole, které brzdí změnu magnetického toku, která jej vyvolala.
Vířivé proudy Proudy indukující se v objemu vodivého tělesa, jejichž směr není ohraničen vodičem a způsobují ohřev vodiče.

tags: #elektromagnetická #indukce #v #kabelech #v #žlabech

Oblíbené příspěvky: