5. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest jednym ze zjawisk, na którym jest oparta cała elektrotechnika i radio­technika. Zjawisko to zostało odkryte przez M. Faradaya w 1831 r. i przez niego zostało sformułowane prawo in­dukcji elektromagnetycznej. Dzięki za­stosowaniu tego prawa zbudowano prądnice (generatory), w których ener­gia mechaniczna jest przetwarzana w energię elektryczną, możliwe jest przesyłanie energii na duże odległości, przesyłanie informacji i ich odbiór.

Rozpatrzmy cewkę cylindryczną, której zaciski dołączono do czułego woltomie­rza wskazującego różnicę potencjałów na zaciskach tej cewki (rys.1). Do­świadczenie pierwsze polega na tym, że do cewki zbliżamy magnes trwały (rys.1a). Wskazówka przyrządu od­chyla się, co jest dowodem powstania na zaciskach cewki różnicy potencjałów. Odchylenie wskazówki przyrządu nastąpi również podczas odsuwania te­go magnesu od cewki, z tym że wska­zówka przyrządu odchyli się w stronę przeciwną.

W doświadczeniu drugim magnes trwa­ły zastąpimy cewką zasilaną ze źródła napięcia stałego, odgrywającą rolę elek­tromagnesu (rys.1b). Jeżeli elektro­magnes będziemy zbliżali lub oddalali od cewki, do której dołączono wolto­mierz, to także stwierdzimy, że wska­zówka przyrządu się odchyla.

Rys.1. Ilustracja zjawiska indukcji elektro­magnetycznej: a) zbliżanie magnesu trwałego do cewki; b) zbliżanie cewki, przez którą płynie prąd do cewki z dołączonym woltomierzem: c) zmiana wartości prądu w jednej z cewek

W doświadczeniu trzecim obie cewki nawiniemy na wspólnym rdzeniu, przy czym cewkę odgrywającą rolę elektro­magnesu dołączymy do źródła napięcia przez wyłącznik (rys.1c). Podczas zamykania lub otwierania wyłącznika zmienia się wartość prądu I w obwodzie cewki, a zatem i strumień magnetyczny oddziałujący na cewkę, do której dołą­czono woltomierz. 1 teraz stwierdzamy odchylenie wskazówki woltomierza, przy czym kierunek odchylenia wska­zówki zależy od tego, czy wyłącznik zamykamy, czy też otwieramy.

W trzech przeprowadzonych doświad­czeniach otrzymamy ten sam rezultat: pojawienie się napięcia na zaciskach cewki. W każdym bowiem przypadku zmienia się strumień magnetyczny sko­jarzony z cewką.

Powstanie napięcia indukowanego lub jak inaczej mówimy, siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu przy jakiejkolwiek zmianie strumienia magnetycznego skojarzonego z tym uzwojeniem nazywamy zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej.

Jeżeli obwód uzwojenia, w którym in­dukuje się siła elektromotoryczna zo­stanie zamknięty, to w obwodzie tym popłynie prąd elektryczny. Indukowa­nie się napięcia i pojawienie się prądu w uzwojeniu jest związane z konieczno­ścią przekazania do uzwojenia pewnej energii. W doświadczeniu pierwszym i drugim energia powstaje kosztem pra­cy związanej z przemieszczeniem mag­nesu trwałego lub elektromagnesu. W doświadczeniu trzecim, w którym obie cewki są nieruchome, energii do­starcza źródło dołączone do cewki.

Związek między indukowaną siłą elek­tromotoryczną a zmianą strumienia magnetycznego skojarzonego określa prawo Faradaya zwane prawem induk­cji elektromagnetycznej, zgodnie z któ­rym siła elektromotoryczna indukowana na zaciskach przewodu, pojedynczego zwoju lub cewki o liczbie zwojów N jest równa zmianie strumienia skojarzonego w jednostce czasu:

Prawo indukcji elektromagnetycznej w ścisłym zapisie, z użyciem pojęcia pochodnej, ma postać

---