Indukcja elektromagnetyczna

Wstęp — czy z magnetyzmu można zrobić prąd?

W poprzedniej lekcji odkryliśmy, że prąd wytwarza pole magnetyczne. Naturalne staje się pytanie odwrotne: skoro elektryczność daje magnetyzm, to czy magnetyzm może dać elektryczność?

Odpowiedź brzmi: tak — ale pod jednym warunkiem. Samo trzymanie magnesu obok cewki nic nie daje. Prąd pojawia się dopiero wtedy, gdy pole magnetyczne przez cewkę się zmienia — na przykład gdy magnes wsuwamy lub wysuwamy.

To zjawisko nazywamy indukcją elektromagnetyczną. Odkrył je w 1831 roku angielski fizyk Michael Faraday. To jedno z najważniejszych odkryć w historii — bez niego nie byłoby elektrowni, prądnic ani transformatorów. Cały prąd w gniazdku bierze się właśnie z indukcji.

W tej lekcji poznasz:

• na czym polega indukcja elektromagnetyczna i doświadczenie Faradaya,
• od czego zależy wartość prądu indukcyjnego,
• jak działa prądnica (generator) — źródło prądu w elektrowni,
• jak działa transformator — urządzenie zmieniające napięcie.

Doświadczenie Faradaya

Weźmy cewkę (zwojnicę) połączoną z czułym miernikiem prądu — galwanometrem. Do cewki nie podłączamy żadnej baterii. Następnie zbliżamy i oddalamy magnes:

Wniosek jest jasny: prąd płynie tylko wtedy, gdy pole magnetyczne przez cewkę się zmienia. Ruch magnesu „w jedną stronę" daje prąd w jednym kierunku, ruch „w drugą stronę" — w przeciwnym.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej. W obwodzie (cewce) powstaje prąd zwany prądem indukcyjnym, gdy zmienia się pole magnetyczne przez ten obwód — na przykład przez ruch magnesu względem cewki. Sam nieruchomy magnes prądu nie wywołuje.

Rys. 1. Prąd indukcyjny płynie tylko podczas ruchu magnesu. Wsuwanie i wysuwanie dają prąd o przeciwnych kierunkach; nieruchomy magnes nie daje prądu.

Od czego zależy prąd indukcyjny?

Im szybciej zmienia się pole magnetyczne przez cewkę, tym większy prąd indukcyjny. Wartość prądu jest większa, gdy:

1. szybciej poruszamy magnesem (szybsze wsuwanie/wysuwanie),
2. używamy silniejszego magnesu,
3. cewka ma więcej zwojów.

Warto zapamiętać, że prąd można wzbudzić na dwa równoważne sposoby:

• poruszając magnesem względem nieruchomej cewki, albo
• poruszając cewką względem nieruchomego magnesu.

Liczy się ruch względny i zmiana pola — nie to, co dokładnie się porusza.

Uwaga. Prąd indukcyjny można też wywołać bez żadnego ruchu — wystarczy zmieniać natężenie prądu w pobliskim elektromagnesie. Wtedy zmienia się jego pole, a to wystarcza, by w sąsiedniej cewce popłynął prąd. Na tej zasadzie działa transformator.

Prądnica (generator) — skąd bierze się prąd w elektrowni

Prądnica (generator) to urządzenie, które zamienia energię ruchu (mechaniczną) na energię elektryczną — czyli robi dokładnie to, co silnik, tylko odwrotnie.

W prądnicy ramka z przewodu obraca się między biegunami magnesu. Podczas obrotu pole magnetyczne przez ramkę cały czas się zmienia, więc — zgodnie ze zjawiskiem indukcji — w ramce płynie prąd.

Skąd bierze się ruch, który obraca ramkę? To zależy od typu elektrowni:

• elektrownia wodna — obracająca się woda (turbina),
• elektrownia wiatrowa — wiatr obraca łopaty,
• elektrownia cieplna / jądrowa — para wodna napędza turbinę.

Rys. 2. Prądnica: obracająca się ramka w polu magnetycznym wytwarza prąd. Energia ruchu zamienia się w energię elektryczną.

Prądnica vs silnik. To „lustrzane odbicia": silnik zamienia prąd na ruch, a prądnica zamienia ruch na prąd. Budowa jest niemal identyczna.

Transformator — zmiana napięcia

Transformator to urządzenie, które zmienia napięcie prądu przemiennego. Składa się z dwóch cewek nawiniętych na wspólnym rdzeniu z żelaza:

• uzwojenie pierwotne — do niego doprowadzamy napięcie wejściowe,
• uzwojenie wtórne — z niego odbieramy napięcie wyjściowe.

Zmienny prąd w pierwszej cewce wytwarza zmienne pole magnetyczne, które przez rdzeń dociera do drugiej cewki i — dzięki indukcji — wzbudza w niej prąd. Napięcie zależy od liczby zwojów:

• więcej zwojów w cewce wtórnej → napięcie rośnie (transformator podwyższający),
• mniej zwojów w cewce wtórnej → napięcie maleje (transformator obniżający).

Transformatory są wszędzie: podwyższają napięcie do przesyłu na duże odległości (linie wysokiego napięcia) i obniżają je do bezpiecznych wartości w ładowarkach telefonów i laptopów.

Rys. 3. Transformator: zmienne pole magnetyczne przenosi się przez rdzeń z jednej cewki do drugiej. Stosunek liczby zwojów decyduje o zmianie napięcia.

Zobacz to w symulacji

W symulacji wsuwasz i wysuwasz magnes z cewki, poruszając nim myszką (lub suwakiem). Obserwuj wskazówkę galwanometru: gdy magnes się porusza — pojawia się prąd; gdy stoi — prądu nie ma. Im szybciej poruszasz magnesem, tym większe wychylenie.

Zadania krok po kroku

Zadanie 1 — kiedy płynie prąd

Magnes leży nieruchomo w środku cewki połączonej z galwanometrem. Czy płynie prąd indukcyjny? Co trzeba zrobić, żeby popłynął?

Krok 1. Nieruchomy magnes → pole przez cewkę się nie zmienia → prąd nie płynie.

Krok 2. Żeby popłynął prąd, trzeba zmienić pole — np. wsunąć lub wysunąć magnes (albo poruszyć cewką).

Odpowiedź: Prąd nie płynie. Popłynie dopiero, gdy magnes (lub cewka) zacznie się poruszać, bo wtedy pole magnetyczne się zmienia.

Zadanie 2 — jak zwiększyć prąd indukcyjny

Uczeń uzyskuje słaby prąd indukcyjny, powoli wsuwając słaby magnes do cewki o 50 zwojach. Podaj trzy sposoby, aby prąd był większy.

Rozwiązanie:

1. Wsuwać magnes szybciej (szybsza zmiana pola).
2. Użyć silniejszego magnesu.
3. Użyć cewki o większej liczbie zwojów.

Odpowiedź: Szybszy ruch, silniejszy magnes i więcej zwojów — każdy z tych sposobów zwiększa prąd indukcyjny.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Sam magnes w cewce wytwarza prąd." Nie — prąd powstaje tylko, gdy pole się zmienia. Nieruchomy magnes nie daje prądu.
2. „Prądnica tworzy energię z niczego." Nie — prądnica zamienia energię ruchu na elektryczną. Ktoś (woda, wiatr, para) musi ją obracać.
3. Mylenie silnika z prądnicą. Silnik: prąd → ruch. Prądnica: ruch → prąd. To procesy odwrotne.
4. „Transformator działa na prąd stały." Nie — transformator potrzebuje zmiennego pola, więc działa tylko na prąd przemienny. Na prądzie stałym (po ustaleniu) nic nie indukuje.
5. „Kierunek prądu przy wsuwaniu i wysuwaniu jest taki sam." Nie — jest przeciwny. Zmiana kierunku ruchu magnesu odwraca kierunek prądu indukcyjnego.

Podsumowanie

• Indukcja elektromagnetyczna to powstawanie prądu (indukcyjnego) przy zmianie pola magnetycznego przez obwód. Odkrył ją Faraday.
• Prąd płynie tylko podczas ruchu magnesu względem cewki (lub zmiany prądu w elektromagnesie); nieruchomy magnes nie daje prądu.
• Prąd indukcyjny jest większy przy szybszym ruchu, silniejszym magnesie i większej liczbie zwojów.
• Prądnica (generator) zamienia energię ruchu na elektryczną — to źródło prądu w elektrowniach.
• Transformator zmienia napięcie prądu przemiennego dzięki dwóm cewkom na wspólnym rdzeniu.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — magnetyzm.

Dalsza lektura

• Pole magnetyczne prądu — zjawisko odwrotne: jak prąd wytwarza pole magnetyczne.
• Prąd przemienny — jaki prąd wytwarza prądnica i dlaczego mamy go w gniazdku.
• Praca i moc prądu elektrycznego — co robimy z energią elektryczną z elektrowni.