Elektromagnetická indukcia Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Elektromagnetická indukcia — Je to jav, pri ktorom vzniká v cievke (alebo vodiči) elektrické napätie vždy, keď sa mení magnetické pole, ktoré ňou prechádza. Objavil ju anglický fyzik Michael Faraday v roku 1831 a stala sa základom takmer celej dnešnej výroby elektrickej energie. Bez tohto javu by neexistovali generátory, dynamá ani transformátory.

2. Indukované napätie — Je napätie, ktoré sa „naindukuje" (vznikne) v cievke pri zmene magnetického poľa okolo nej. Vzniká len vtedy, keď sa pole MENÍ — ak magnet pri cievke stojí, napätie nevzniká, hoci pole stále pôsobí. Práve preto musí byť v generátoroch neustály pohyb.

3. Magnetický indukčný tok (Φ) — Veličina, ktorá vyjadruje, koľko magnetického poľa prechádza plochou cievky; jej jednotkou je weber (Wb). Indukované napätie vzniká vždy, keď sa tento tok mení — či už pohybom magnetu, zmenou jeho sily, alebo otáčaním cievky. Čím rýchlejšie sa tok mení, tým väčšie napätie sa naindukuje.

4. Faradayov zákon elektromagnetickej indukcie — Hovorí, že veľkosť indukovaného napätia je tým väčšia, čím rýchlejšie sa mení magnetický indukčný tok. Zjednoducho: rýchly pohyb magnetu = veľké napätie, pomalý pohyb = malé napätie. Tento zákon je matematickým jadrom celého javu a vysvetľuje, prečo generátory musia rotovať rýchlo.

5. Pokus s magnetom a cievkou — Keď zasúvame tyčový magnet do cievky pripojenej na citlivý merač (galvanometer), ručička sa vychýli a ukáže prúd. Pri vyťahovaní magnetu sa vychýli na opačnú stranu, lebo sa zmení smer indukovaného prúdu. Keď magnet vnútri cievky nehybne leží, merač ukazuje nulu — to je názorný dôkaz, že dôležitá je zmena, nie samotná prítomnosť poľa.

6. Faktory ovplyvňujúce veľkosť napätia — Indukované napätie je väčšie, ak: rýchlejšie pohybujeme magnetom, použijeme silnejší magnet a cievka má viac závitov. Práve počet závitov je dôvod, prečo reálne cievky obsahujú stovky až tisíce otáčok drôtu. Tieto tri „páčky" konštruktéri využívajú na zvýšenie výkonu zariadení.

7. Lenzov zákon — Určuje SMER indukovaného prúdu: prúd vždy pôsobí tak, aby svojím magnetickým poľom bránil zmene, ktorá ho vyvolala. Preto pri zasúvaní magnetu ho cievka „odpudzuje" a pri vyťahovaní ho „priťahuje". Je to dôsledok zákona zachovania energie — energiu treba na pohyb dodať, nevznikne zadarmo.

8. Elektrický generátor (alternátor) — Stroj, ktorý premieňa mechanickú (pohybovú) energiu na elektrickú práve pomocou elektromagnetickej indukcie. Vnútri sa otáča cievka v magnetickom poli (alebo magnet pri cievke), čím sa mení tok a indukuje sa napätie. Je to opak elektromotora, ktorý naopak premieňa elektrickú energiu na pohyb.

9. Striedavé napätie a prúd — Pri rovnomernom otáčaní cievky v generátore napätie pravidelne mení svoju veľkosť aj smer, takže vzniká striedavé napätie (a striedavý prúd). V elektrickej sieti na Slovensku má frekvenciu 50 Hz, čo znamená 50 zmien smeru za sekundu, a v zásuvke je efektívna hodnota 230 V. Práve preto sa náš domáci prúd nazýva striedavý.

10. Výroba elektrickej energie v elektrárňach — Vo väčšine elektrární (tepelných, jadrových, vodných, veterných) sa rôznym spôsobom roztáča turbína spojená s generátorom. Líši sa len zdroj pohybu: para z horiaceho uhlia či jadrového paliva, padajúca voda alebo vietor — výsledok je vždy roztočená cievka a indukované napätie. Tým pádom je elektromagnetická indukcia spoločným princípom takmer všetkej elektriny, ktorú používame.

11. Transformátor — Zariadenie založené na indukcii, ktoré mení (zvyšuje alebo znižuje) striedavé napätie pomocou dvoch cievok navinutých na spoločnom železnom jadre. Pri prenose elektriny na veľké vzdialenosti sa napätie zvyšuje až na desaťtisíce voltov, aby sa znížili straty, a pred domácnosťami sa zase znižuje na bezpečných 230 V. Funguje LEN so striedavým prúdom, lebo potrebuje neustále sa meniace magnetické pole.

12. Praktické využitie v bežnom živote — Elektromagnetická indukcia poháňa nielen elektrárne, ale aj dynamo na bicykli, bezdrôtové nabíjačky telefónov, indukčné varné dosky a mikrofóny. Ukazuje, ako jeden fyzikálny objav z roku 1831 zásadne zmenil celú civilizáciu. Bez nej by sme nemali spoľahlivý zdroj elektriny pre domácnosti ani priemysel.

1. Poučka

Elektromagnetická indukcia je jav, pri ktorom v cievke (alebo vodiči) vzniká indukované napätie, ak sa mení magnetické pole prechádzajúce cievkou. Ak je obvod uzavretý, indukované napätie vyvolá indukovaný prúd. Platí: čím rýchlejšie sa magnetické pole mení, tým väčšie je indukované napätie.

2. Vysvetlenie

Predstav si cievku (zvitok drôtu) a magnet.

1. Keď je magnet pri cievke v pokoji, nič sa nedeje — žiadny prúd netečie.
2. Keď magnet zasúvame do cievky, mení sa magnetické pole vo vnútri cievky a vznikne indukované napätie → ručička meradla sa vychýli.
3. Keď magnet vyťahujeme, pole sa mení opačne, prúd tečie na opačnú stranu.
4. Pohyb teda musí byť — bez zmeny magnetického poľa žiadne napätie nevznikne.
5. Väčšie napätie dosiahneme: rýchlejším pohybom, silnejším magnetom a viac závitmi cievky.

Dôležité: indukcia nepotrebuje batériu. Elektrickú energiu získavame z mechanického pohybu (pohyb magnetu alebo cievky).

3. Príklady a prečo je to dôležité

• Elektrický generátor (alternátor) v elektrárni — otáčajúca sa cievka v magnetickom poli vyrába striedavé napätie. Takto vzniká takmer všetka elektrina v zásuvke.
• Bicyklový dynamo — pri jazde sa otáča magnet pri cievke a rozsvieti svetlo.
• Vodná, veterná a tepelná elektráreň — voda, vietor alebo para roztáčajú turbínu a tá generátor; líši sa len zdroj pohybu, princíp je rovnaký.
• Indukčná varná doska — meniace sa magnetické pole indukuje prúdy priamo v dne hrnca a ten sa zohrieva.
• Transformátor a nabíjačky — meniace sa pole v jednej cievke indukuje napätie v druhej cievke (mení veľkosť napätia).
• Bezdrôtové nabíjanie telefónu — energia sa prenáša cievkami bez kontaktu.

Prečo je to dôležité: elektromagnetická indukcia je základ výroby elektrickej energie pre celý svet. Bez nej by neexistovali elektrárne, domáci rozvod elektriny ani väčšina spotrebičov.