Začátkem 19. století byly podrobně prozkoumány jevy, kdy elektrický proud vytvářel ve svém okolí magnetické pole. Tehdy si začínající anglický fyzik Michael Faraday položil otázku, zda by se proces nedal obrátit. Mohlo by magnetické pole generovat elektrický proud? Teprve po několika letech v roce 1831 Faraday zjistil, že odpověď je kladná – objevil elektromagnetickou indukci. Tím umožnil pozdější masové využití elektřiny, neboť indukce je základem elektrického generátoru. Ale postupujme pěkně popořádku. Podstatou Faradayova objevu bylo zjištění, že proud se ve vodiči generuje pouze v proměnlivém magnetickém poli.
Ve vodivé smyčce, která se nachází v proměnlivém magnetickém poli, vzniká elektrické napětí a proud.
Tento jev se nazývá elektromagnetická indukce.
Poznámka na okraj: Michael Faraday
Michael Faraday (1791–1867) byl jedním z nejlepších experimentálních fyziků všech dob. Narodil se v Anglii ve velmi chudé a nábožensky založené rodině. Jeho otec byl kovář, ale byl často nemocný a neschopný soustavné práce. Rodina neměla často ani na jídlo, a Michael proto musel od svých 12 let začít vydělávat. Dostal se do učení ke knihvazači, kde jeho rukama procházely nejrůznější knihy. Faraday přečetl všechny, které pojednávaly o fyzice a chemii.
Zdroj
Stal se tak vědcem samoukem a později získal místo laboranta u slavného chemika Humphryho Davyho. Postupně se vypracoval v úspěšného vědce, a tak mohl být ve svých 33 letech přijat za člena slavné Královské společnosti (Royal Society for the Improvement of Natural Knowledge), přestože neměl žádné formální vzdělání. Slavnými se staly jeho přednášky, které později pořádal pro členy Královské společnosti. Faraday na nich předváděl mnoho experimentů a měl s nimi velký úspěch také u široké veřejnosti. Oblíbil si je i manžel královny Viktorie princ Albert nebo pozdější autor teorie elektromagnetického pole James Clerk Maxwell.
Zdroj
Nejslavnějším Faradayovým vědeckým počinem zůstává objev elektromagnetické indukce. Zabýval se i mnoha dalšími jevy, objevil zákony elektrolýzy či zkoumal nové druhy ocelových slitin. Objevil také nové chemické sloučeniny a vynalezl princip zkapalňování plynů. Na jeho počest byla pojmenována jednotka elektrické kapacity farad.
Celý život zůstal skromným člověkem. Odmítl povýšení do šlechtického stavu i nabídku, aby se stal prezidentem Královské společnosti. Až ke konci života přijal nabídku královny Viktorie, aby se svou ženou bydlel v domě v londýnském parku Hampton Court.
Ukažme si některé důležité vlastnosti elektromagnetické indukce pomocí klíčových experimentů.
Magnet a cívka
Budeme pohybovat magnetem v okolí cívky. Pokud k cívce připojíme dvě LEDky, můžeme je pohybem magnetu rozblikat. V cívce se bude indukovat napětí a proud, neboť se nachází v proměnlivém magnetickém poli (viz obrázek 19.38).
Zdroj
Dvě cívky na společném jádře
Umístíme dvě cívky na společné jádro. První cívku připojíme ke zdroji, ke druhé připojíme LEDky jako detektor proudu (viz obrázek 19.39).
Zdroj
Při zapínání a vypínání obvodu LEDky bliknou. K elektromagnetické indukci dochází pouze při změně magnetického pole – tedy jen při zapínání a vypínání cívky. Budeme-li cívku spínat s vysokou frekvencí, budou LEDky se stejnou frekvencí blikat. Tento pokus představuje princip transformátoru.
Cívka rotující v magnetickém poli
Pokud cívka rotuje v magnetickém poli, indukuje se v ní elektrické napětí a proud. K indukci tedy dochází i v případě, že magnetické pole je neměnné, ale cívka se v něm otáčí. Je to stejné, jako kdyby byla cívka v klidu a nacházela se v rotujícím (tedy proměnlivém) magnetickém poli. Tento pokus představuje princip elektrického generátoru, kterým vyrábíme elektřinu v elektrárnách.
Zdroj
Magnet a kroužek
Kroužek z masivního vodiče necháme v klidu viset (viz obrázek 19.41).
Zdroj
Pokud se snažíme magnet vsunout do kroužku, kroužek se od magnetu odpuzuje. Naopak při vysouvání magnetu se kroužek k magnetu přitahuje. Tento pokus ukazuje, že indukovaný proud vždy vytváří své vlastní magnetické pole. Toto indukované pole má vždy takový směr, že brzdí pohyb magnetu. Vidíme, že indikovaný proud není „zadarmo“. K jeho generování je třeba konat mechanickou práci nutnou k překonání magnetické síly.
Magnet a destička
Položíme magnet na silnou měděnou desku (měd je vodivá ale není feromagnetická) a desku nakloníme. Magnet po desce klouže dolů jen velmi pomalu (viz obrázek 19.42).
Zdroj
Tento pokus je v principu podobný předchozímu. V desce se indukují proudy, jejichž magnetické pole brání magnetu v pohybu. Proudy, které se indukují v objemu vodivého tělesa, se nazývají vířivé proudy, neboť jejich směr není ohraničen vodičem. Vířivé proudy ohřívají vodič, kterým tečou. Toho využívá indukční ohřev, který se používá v indukčním sporáku.
Zdroj
Kontrolní otázka
Příklad 1
Na obrázku 19.44 je zachyceno schéma elektrodynamického mikrofonu. Zvuk dopadá na membránu a rozkmitává ji.
- Na základě obrázku 19.44 vysvětlete, jak se v zvuk dále převádí na elektrický signál.
- Velmi podobně – jen obráceně – funguje také reproduktor. Vysvětlete, jak se v reproduktoru elektrický signál převádí na mechanické kmity membrány.
Zdroj
- Membrána je spojena s cívkou, která se střídavě pohybuje dovnitř a ven v magnetickém poli permanentního magnetu. Magnetické pole uvnitř cívky se tedy mění a elektromagnetickou indukcí vzniká střídavé napětí.
- Do cívky je přiveden elektrický signál, odpovídající přehrávanému zvuku. Pokud cívkou v magnetickém poli teče proud, působí na ni magnetická síla. Ta vychyluje cívku tam a zpět a kmity cívky se přenáší na membránu reproduktoru.
Poznámka na okraj: Zákon elektromagnetické indukce
Elektromagnetickou indukci je možné popsat také kvantitativně. Indukované napětí na jednom vodivém závitu závisí na tom, jak rychle a jak moc se mění „počet magnetických indukčních čar procházejících tímto závitem“. K tomu je potřeba zavést novou fyzikální veličinu, která se nazývá magnetický indukční tok \(\Phi\) a má jednotku weber (Wb). Magnetický indukční tok je určen
- velikostí magnetické indukce \(B\);
- plochou závitu \(S\);
- vzájemnou polohou závitu a magnetického pole. Tu můžeme vyjádřit pomocí úhlu \(\alpha\), který svírají vektor \(\Vec{B}\) a normála plochy \(S\) (tedy přímka kolmá na plochu \(S\)).
Pak můžeme zapsat \(\Phi= BS\cos\alpha\).
Zdroj
V případě, kdy je \(\Vec{B}\) kolmé na \(S\), je \(\alpha=0^\circ\). Pak je \(\Phi\) maximální a platí \(\Phi=BS\). Naopak v případě, kdy vektor \(\Vec{B}\) leží v rovině plochy \(S\), je \(\alpha=90^\circ\). Pak je \(\Phi=0\).
Nyní můžeme zapsat zákon elektromagnetické indukce:
\[ U = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}\;. \]Ještě lépe jej zapíšeme pomocí derivace:
\[ U = -\frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}\;. \]Můžeme říci, že indukované napětí v uzavřené smyčce je rovno záporně vzaté časové derivaci magnetického indukčního toku touto smyčkou.
V případě, že se jedná o magnetický indukční tok cívkou, jej můžeme vyjádřit jako součin proudu \(I\) a konstanty \(L\) popisující danou cívku. \(L\) se nazývá indukčnost cívky a platí \(\Phi=LI\). Velkou indukčnost bude mít cívka s velkým počtem velkých závitů a feromagnetickým jádrem. Také indukčnost má svoji jednotku henry (H).
Pokud dosadíme vztah \(\Phi=LI\) do zákona elektromagnetické indukce, můžeme konstantu \(L\) napsat před derivaci a dostaneme tak vztah pro indukované napětí na cívce
\[ U = -L\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}t}\;. \]
