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

Príklad 1 — pokus s magnetom a cievkou: Cievka je pripojená na galvanometer. Magnet do nej zasunieš, chvíľu ho držíš vnútri a potom ho vytiahneš. Čo ukazuje ručička?
Pri zasúvaní sa magnetické pole v cievke mení, ručička sa vychýli.
Keď magnet držíš, pole sa nemení, ručička ukazuje nulu.
Pri vyťahovaní sa pole mení opačne, ručička sa vychýli na druhú stranu.
→ prúd vzniká len pri pohybe magnetu, pri vyťahovaní má opačný smer

Príklad 2 — nehybný magnet: Silný magnet leží celý deň vedľa cievky. Prečo v nej netečie prúd?
Napätie sa indukuje len vtedy, keď sa mení magnetické pole prechádzajúce cievkou.
Nehybný magnet vytvára stále rovnaké pole, nič sa nemení.
→ bez zmeny magnetického poľa sa napätie neindukuje

Príklad 3 — ako zväčšiť indukované napätie: Ručička galvanometra sa vychyľuje len málo. Čo môžeš zmeniť, aby bola výchylka väčšia?
Podľa Faradayovho zákona je napätie tým väčšie, čím rýchlejšie sa mení pole.
Pole sa mení rýchlejšie, keď magnetom pohybuješ rýchlejšie alebo použiješ silnejší magnet.
Každý závit pridá svoje napätie, preto pomôže aj cievka s viac závitmi.
→ rýchlejší pohyb, silnejší magnet, viac závitov

Príklad 4 — vodná elektráreň (prax): Opíš cestu energie vo vodnej elektrárni.
Voda v priehrade má polohovú energiu.
Pri páde potrubím získava pohybovú energiu a roztáča turbínu.
Turbína otáča generátor, v ktorého cievkach sa mení magnetické pole a indukuje sa napätie.
→ z polohovej energie vody nakoniec vzniká elektrická energia

Príklad 5 — dynamo na bicykli (prax): Prečo svetlo s dynamom svieti len počas jazdy a pri rýchlej jazde svieti jasnejšie?
Koleso otáča magnetom v dyname a pole v cievke sa neustále mení.
Keď stojíš, magnet sa neotáča a napätie nevzniká.
Rýchlejšie otáčanie znamená rýchlejšiu zmenu poľa a väčšie napätie.
→ dynamo vyrába napätie len pri pohybe, väčšia rýchlosť dá väčšie napätie

Príklad 6 — generátor a elektromotor: V čom sú generátor a elektromotor opačné?
Generátor potrebuje pohyb (otáčanie) a vyrába elektrinu.
Elektromotor dostáva elektrinu a vyrába pohyb.
→ generátor mení pohyb na elektrinu, motor elektrinu na pohyb

Príklad 7 — bezdrôtová nabíjačka (prax): Ako sa nabíja mobil položený na podložke bez kábla?
V cievke podložky tečie striedavý prúd, ktorý vytvára meniace sa magnetické pole.
Toto pole prechádza cievkou v mobile a indukuje v nej napätie, ktoré nabíja batériu.
→ energiu prenáša meniace sa magnetické pole medzi dvoma cievkami

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.

Precvič si

1. Čo ukáže galvanometer, keď magnet v cievke len pokojne držíš?
2. Ako sa zmení výchylka ručičky, keď magnet z cievky vyťahuješ namiesto zasúvania?
3. Cievka A má 100 závitov, cievka B 400 závitov. Do oboch zasunieš rovnaký magnet rovnako rýchlo. V ktorej sa indukuje väčšie napätie?
4. Prečo svetlo s dynamom na bicykli nesvieti, keď stojíš na semafore?
5. Opíš premeny energie vo veternej elektrárni.
6. Prečo generátor s otáčajúcou sa cievkou vyrába striedavé, a nie jednosmerné napätie?