Faradayev
indukcijski zakon.
Kot začetek proučevanja zakonitosti pojava elektromagnetne indukcije
smatramo leto 1831, v katerem je Faraday razkril sledečo
eksperimentalno ugotovitev: če se sklenjena prevodna zanka nahaja v
magnetnem polju drugih tokokrogov ali trajnih magnetov (oziroma v
»tujem« magnetnem polju) in se pretok
ftuji skozi
njo spreminja, se v zanki inducira električna napetost uind.,
ki je sorazmerna hitrosti spreminjanja magnetnega pretoka
ftuji skozi
njo (slika 5),
pri tem pa ni pomemben vzrok,
ki botruje spreminjanju pretoka. Za poroditev inducirane napetosti
torej ni pomembno, ali se spreminja pretok skozi zanko zato, ker se
zanka povečuje ali zmanjšuje, ali zato, ker se premika ali vrti, ali
zato, ker se električni tok, ki ta pretok generira, časovno
spreminja, ampak je pomembno zgolj in samo to, da se
ftuji skozi
zanko spremenja.
Nov kamen v mozaik
električne indukcije sta dodala Američan Joseph Henry (leta 1832) in
Faraday (leta 1834). Neodvisno drug od drugega sta ugotovila, da za
inducirano napetost ni odgovorna le hitrost spreminjanja tujega
pretoka skozi zanko, ampak je zanjo v enaki meri odgovorna tudi
hitrost spreminjanja lastnega magnetnega pretoka oziroma pretoka, ki
ga povzroča tok v njej sami (slika 6).
Ugotavljata torej,
da je celotna inducirana napetost vzdolž zanke sorazmerna hitrosti
spreminjanja celotnega pretoka
f skozi zanko:
Pojav induciranja
napetosti zaradi spreminjanja lastnega magnetnega pretoka skozi
zanko imenujemo samoindukcija. Ako je hitrost spreminjanja
lastnega pretoka občutno šibkejša od hitrosti spreminjanja tujega
magnetnega pretoka, pravimo, da je pojav samoindukcije zanemarljiv.
Ugotovitve Faradaya
in Henryja je dopolnil Rus Emil Hristianovič Lenz; leta 1834 je
namreč odkril pravilo, ki pravi: magnetni pretok induciranega toka v
zanki nasprotuje težnji po spreminjanju magnetnega pretoka skozi
njo.
Odprta ostaja še
sorazmernostna konstanta k, za katere absolutno vrednost
|k|
fizik Franz Neumann leta 1845 ugotovi, da je enaka ena. To pomeni,
da se je potrebno, med ponujenima možnostma
odločiti za pravo,
za tisto, ki bo skladna z Lenzovim pravilom in dogovorom, da
inducirano napetost vzdolž sklenjene zanke določa vsota napetosti v
desno okoli magnetnega pretoka skozi zanko (slika 7).
Če bi izbrali levo
enačbo in bi pretok f
na primer naraščal, bi imela uind. pozitivno
vrednost; kot takšna bi težila izzvati induciran tok i, ki bi
obkrožil pretok zanke v desno, njegov pretok
find. pa bi
stremel naraščajoči pretok f
še dodatno povečevati, kar je v nasprotju z Lenzovim pravilom. Leva
enačba torej ni pravilna; pravilna je desna:
Preverimo tudi še
njo! Ko bo magnetni pretok f
naraščal, bo uind.
< 0; tok i bi
obkrožil pretok f v
levo, njegov pretok find.
pa bi stremel naraščanje pretoka
f ublažiti; kar je
prav! Ko pa bo fluks f
skozi zanko usihal, bo uind.
> 0; tok i bi
obkrožil fluks f v
desno, njegov fluks find.
pa bi stremel usihajnje fluksa
f zavreti; kar je zopet prav!
Enačba za inducirano
napetost je sicer enaka tisti iz predhodnega razdelka (v katerem smo
govorili o gibalni inducirani napetosti), vendar z eno pomembno
razširitvijo: inducirana napetost v zanki ni posledica le gibanja v
tujem polju, ampak je posledica spreminjanja celotnega magnetnega
pretoka skozi zanko, pri čemer pa ni važen vzrok, ki povzroča
spreminjanje tega pretoka.
Glede na vzrok
induciranja delimo inducirano napetost na transformatorsko in
gibalno inducirano napetost. Prvo inducirano napetost
povzroča magnetni fluks skozi zanko, ki je spremenljiv zato, ker se
spreminja magnetno polje v področju zanke, drugo inducirano napetost
pa povzroča magnetni fluks skozi zanko, ki je spremenljiv zaradi
gibanja delov zanke ali cele zanke. Ta delitev pa še ne pomeni, da
se v neki napravi inducira le prva ali le druga napetost. V mirujoči
zanki se more inducirati le transformatorska napetost (lep primer
je transformator, zato tudi takšno ime), v napravah z gibljimi deli
(generatorji ali motorji) pa se inducirata največkrat kar obe, redko
pa le gibalna. Primer, ki to osvetli, je linearni generator: ko je
generator v prostem teku, se inducira le gibalna napetost, brž ko pa
vir obremenimo (in se v zanki pojavi tok), se v njem inducira tudi
transformatorska napetost, ki je posledica samoindukcije oziroma
spreminjanja toka v zanki.
Temeljne zakone elektromagnetizma je v natančen
matematični red spravil angleški fizik James Clerk Maxwell;
enačbe je objavil leta 1865, temeljno delo elektromagnetike,
Electricity and magnetism, pa leta 1873.
|