Elektromagnetické jevy

Často se věnujeme čistě tomu, jak funguje elektřina, elektrické pole a elektrické síly. Nebo čistě jak fungují magnety, magnetismus, magnetické pole a magnetické síly.

Tyto dva světy jsou ale propojeny:

• Elektrický proud kolem sebe automaticky vytváří magnetické pole.
• Měnící se magnetické pole v blízkosti vodiče v něm umí proud vyvolat (elektromagnetická indukce).
• Většina záření kolem nás je elektromagnetického, tedy tvoří jej elektrické i magnetické pole, neoddělitelně od sebe (například rádiové vlny, mikrovlny, světlo, rentgen, \gamma-záření…).

Pokud se v místě vodiče mění magnetické pole (je tzv. nestacionární), vyvolává tato změna vznik elektrického napětí (a následně i elektrický proud).

To je podstata elektromagnetické indukce. Mnohdy je tento efekt zanedbatelný, ale zejména pro prstence nebo smyčky vodiče může být za některých okolností velmi silný a může úplně nahradit existenci zdroje elektromotorického napětí v obvodu.

Každá změna magnetického pole, vyvolává ve vodiči vznik elektrického napětí. To je elektromagnetická indukce. Důležitá je zejména pro prstence nebo smyčky vodiče, které se tak mohou začít chovat jako zdroj elektromotorického napětí. A když je závitů vodiče víc, jako u cívky, celý efekt (velikost napětí) se násobí.

Podle Faradayova zákona vzniká ve smyčce indukované elektrické napětí U_\mathrm i úměrné rychlosti změny magnetického pole. Typickým příkladem je pohyb permanentního magnetu poblíž namotané cívky vodiče, vyvolat ji ale může i elektromagnet (druhá cívka pod proudem, viz transformátory).

Pro onen magnet a cívku je indukované napětí úměrné:

• síle magnetu (velikosti jeho magnetické indukce B)
• rychlosti pohybu magnetu
• počtu závitů cívky

Protože je napětí úměrné okamžité změně magnetického pole, jakmile se magnetické pole přestane měnit, indukované napětí klesne zase na nulu.

Princip elektromagnetické indukce se používá v elektrárnách ke generování střídavého napětí, i jeho transformaci na 230 V do našich zásuvek. Založeno je na ní ale mnoho dalších vynálezů – od indukčních vařičů po dynamické mikrofony.

Elektromagnetickou indukci a indukované napětí můžeme popsat kvantitativně pomocí Faradayova zákona. Potřebujeme ale rozumět magnetickému indukčnímu toku.

Magnetický indukční tok

Vyjadřuje, kolik magnetického pole právě prochází nějakou plochou – např. průřezem smyčky vodiče. Značíme jej \Phi a jednotkou je weber.

Intuitivně si jej můžeme představit jako množství magnetických indukčních čar, které procházejí skrz smyčku (a vracejí se vnějškem). Zřejmě tedy záleží na velikosti B (obvykle jej znázorňujeme právě hustotou čar), velikostí plochy S a orientací S vůči směru B. Předpokládáme, taky že je B v rovině této smyčky alespoň přibližně homogenní. A to je vlastně celé – B, S a úhel. Přesný vzorec záleží na tom vůči, čemu tento úhel vztahujeme (jestli k rovině smyčky nebo ke kolmici na ni). Více v obrázku.

Pokud míří B kolmo na smyčku, dostaneme každopádně \cos 0° resp. \sin 90° (tedy jedničku) a tok je:

\Phi=B\cdot S

a pokud jdou rovnoběžně, dají goniometrická funkce nulu a tok je nulový.

Faradayův zákon

Indukované napětí U_\mathrm i je rovno mínus změně magnetického toku za změnu času:

U_\mathrm i=-\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}

To, že pohyb magnetu vyvolává v cívce (nebo smyčce, nebo závitu, nebo prstenci vodiče) elektrické napětí a proud není vše. Co ještě se přitom děje? A kterým směrem vlastně teče indukovaný proud?

Každý elektrický proud, vytváří svoje vlastní magnetické pole, tedy i ten indukovaný. Takže pohybem magnetu vlastně vytváříme z cívky dočasně druhý magnet. A tento cívkový elektromagnet někdy reaguje přitažlivě a jindy odpudivě. Toto chování shrnul Heinrich Lenz do jednoduchého kvalitativního pravidla:

Indukovaný proud teče tím směrem, aby svým magnetickým polem působil proti změně, která jej vyvolala.

Zkusme toto abstraktní souvětí rozebrat:

• „změně která jej vyvolala“ = elektromagnetickou indukci způsobuje změna magnetického pole (pohyb permanentního magnetu)
• „působí proti změně…“ = cívka se snaží setrvat v původní vzdálenosti od permanentního magnetu, aby se tok neměnil (přitažlivě k unikajícímu magnetu a odpudivě od blížícího se magnetu). Vlastně vždy brzdí vzájemný pohyb.
• „svým magnetickým polem“ = podle přitahování/odpuzování a pólů permanentního magnetu určíme S a J pól cívky

• „Indukovaný proud teče tím směrem“ = když známe S a J pól cívky, určíme (podle Ampérova pravidla pravé ruky) i směr indukovaného proudu.

Ampérovo pravidlo pravé ruky: Když dáme palec pravé ruky směrem, kterým míří severní pól/magnetická indukce, ukazují prsty směr kroužení proudu v cívce/prstenci.