Elektromagnetisk induksjon er frembringelse av elektromotorisk spenning (EMS) i en leder når den blir utsatt for et varierende magnetfelt. Om lederen tilknyttes en lukket krets vil det gå en elektrisk strøm i kretsen som drives av den induserte EMS, en kaller dette for indusert strøm. Fenomenet beskrives matematisk ved Faradays lov, oppkalt etter Michael Faraday som holdes for å være oppdageren av induksjon i 1831. Denne loven sier at størrelsen av den induserte EMS er proporsjonal med hastigheten som den magnetiske fluksen forandrer seg med. I henhold til Lenz' lov er retningen av den induserte strømmen slik at den motvirker sin virkning.
Den magnetiske fluksen som skaper indusert spenning i en elektrisk krets kan oppstå på forskjellige måter:
Forandring ved at fluksen endrer størrelse gjennom en fast strømsløyfe, eller at strømsløyfen selv endrer størrelse i et konstant magnetisk felt, eller en kombinasjon av disse samtidig. Dette utnyttes i en generator. Forandring av strømmen i lederen selv, uten at noe eksternt magnetfelt er tilstede. Dette kalles selvinduksjon eller induktans. Dette skjer for eksempel i enhver elektrisk leder, men kan forsterkes i en spole eller også kalt reaktor. Forandring av strømmen i en annen leder eller spole i nærheten. Dette kalles for gjensidig induksjon eller gjensidig induktans. Prinsippet utnyttes for eksempel i en transformator.
Fra induksjonen ble oppdaget og frem til 1890-årene ble det gjort utallige forsøk med å lage praktisk nyttbare motorer og generatorer. Allerede Faraday hadde utført eksperimenter som viste at induksjon kunne utnyttes for å konstruere slike maskiner. Da dette lyktes ble elektrisiteten etterhvert en viktig energibærer som endret samfunnene i stor grad. Også en rekke andre avanserte systemer som telegraf, telefon, radio, tv og mange andre oppfinnelser er basert på induksjon. Også den teoretiske utforskningen av fenomenet induksjon fortsatte etter Faraday, med James Clerk Maxwell som en av de viktigste vitenskapsmennene bak dette og andre fenomener relatert til elekromagnetisme.
Historie
Den engelske vitenskapsmannen Michael Faraday (1791 – 1867) holdes for å være oppdageren av elektromagnetisk induksjon, selv om amerikaneren Joseph Henry oppdaget fenomenet omtrent samtidig. Fra før hadde italieneren Alessandro Volta og franskmannen André-Marie Ampère gjort undersøkelser rundt elektrisitet og magnetfelter. Ampère hadde blant annet oppdaget at enhver elektrisk leder er omgitt av magnetiske felter. I 1820 oppdaget den danske vitenskapsmannen Hans Christian Ørsted at en elektrisk leder som holdes opp i nærheten av en kompasnål vil påvirke denne. Dette var første gang at noen skjønte at det var en sammenheng mellom elektrisk strøm og magnetisme. Faraday fikk høre om dette i 1821 og startet da undersøkelser av fenomenet. Han oppdaget at det var mulig å få en magnet til å bevege seg i sirkel rundt en strømførende leder. Videre oppdaget han at en elektrisk leder også kunne beveget seg i sirkel rundt en magnet. Oppdagelsen regnes for å være den første demonstrasjonen av prinsippet bak en elektrisk motor.
Den 20. august 1831 oppdaget Faraday at om en ledersløyfe utsettes for et varierende magnetisk felt vil det oppstå en spenning i den. Et kjent eksperiment han utførte var å viklet to ledere rundt en jernring (torus). Lederne var elektrisk isolert fra hverandre, og det var mange vindinger for hver av lederne. Endene av disse tilknyttet han til henholdsvis et batteri og et galvanometer for å måle spenningen. Ved å koble strømmen fra batteriet til den ene viklingen så han at det oppstod en spenning i den andre viklingen som var tilknyttet galvanometret. I september samme år fortsatte han med eksperimenter der han greide å lage en kontinuerlig elektrisk strøm. Dette gjorde han ved å la en skive av kobber rotere i et magnetfelt fra en hesteskomagnet, se bilde til høyre. Til skivens senter og perifere var det tilknyttet ledere som kan kobles til en ekstern krets. Med dette apparatet ble det indusert en likestrøm.
Selv om disse apparatene ikke fikk noen praktisk nytte i sin samtid, ga eksperimentene en stor økning av den teoretiske forståelsen av magnetisme og elektrisitet. Den 24. november 1831 og 12. januar 1832 skrev han to artikler for Royal Society om sine forsøk. Her ble loven som beskriver sammenhengen mellom elektrisitet og «magnetoelektrisk induksjon» gjort kjent. Denne loven er kjent som Faradays lov. Senere i 1832 fant han ut at elektrisitet som ble indusert av en magnet, fra et batteri (Volta søyle) og eller frembrakt ved statisk elektrisitet, er den samme.
Etter Faradays eksperimenter ble det gjort mange oppdagelser, samt forsøk på å konstruere maskiner som kunne utnytte induksjon til praktiske formål. Blant annet ble det utviklet elektriske motorer og senere generatorer, men ingen som kunne produsere mer enn noen få Watt. Ikke før i 13. september 1838 kunne den den tyske-jødiske ingeniøren og fysikeren Moritz Hermann von Jacobi demonstrere en elektrisk motor som kunne drive en båt med passasjerer. Først i 1870-årene ble det utviklet generatorer og motorer for likestrøm som hadde praktisk nytte. I 1880-årene ble generatorer for likestrøm tatt i bruk kommersielt i større skala, først og fremst til gatebelysning.
Faradays laget en teori om kraftlinjer i bevegelse mellom legemer med elektriske og magnetiske egenskaper. Russeren Emil Lenz arbeidet også med disse problemstillingene på samme tid, og er kjent for sin lov om retningen til den induserte spenningen og strømmen.
Senere formulere den britiske vitenskapsmannen Maxwell en nøyaktig matematisk teori om forplantning av elektromagnetiske bølger i rommet. Dermed ble grunnlaget for radiokommunikasjon lagt. Denne teorien sammenfattes i fire ligninger kjent som Maxwells ligninger. Dette ble senere bekreftet eksperimentelt i 1888 av tyske Heinrich Hertz, og utviklet for praktisk bruk av italieneren Guglielmo Marconi på slutten av 1800-tallet.
Fenomener og matematisk beskrivelse Faradays lov
Naturloven som beskriver elektromagnetisk induksjon er som nevnt kjent som Faradays lov. Loven sier at den induserte elektromotoriske spenningen i en krets er lik forandringen av magnetisk fluks som omslutter kretsen. Matematisk uttrykkes dette slik:
der er elektromotorisk spenning (EMS) og ΦB er magnetisk fluks. Uttrykket sier at det er den tidsderiverte av fluksen som gir en indusert EMS. Retningen av den elektromotoriske spenningen er gitt ved Lenz' lov og minustegnet har sammenheng med dette. At det er selve forandringen av et magnetisk felt som gir indusert spenning vil si at det er nødvendig med en stadig endring av fluksen for å få en vedvarende indusert spenning. En annen versjon kjent som Maxwell-Faraday-ligningen (omtalt nedenfor) er mer generell, beskriver en sammenheng med elektriske felt, og er gyldig i alle situasjoner.
For en tett viklet spole (solenoide av ledende materiale, for eksempel kobber, med flere elektrisk isolerte vindinger gjerne i flere lag) som består av N identiske vindinger, hver med samme magnetiske fluks som går gjennom hver vinding, blir den resulterende EMS gitt av:
Faradays lov gjør bruk av magnetiske fluks ΦB gjennom en flate A der ytterkantene er en ledersløyfe. Bildet til venstre viser en slik situasjon. For et homogent magnetisk felt vinkelrett gjennom flaten er magnetisk fluks gitt av flukstettheten slik:
Her er det innført vektorer fordi både styrke og retning er av betydning.Young og Freedman: University physics side 996. Med magnetisk fluks menes alle de magnetiske flukslinjer som går gjennom flaten . Magnetisk flukstetthet er på den annen side tettheten av flukslinjene per flateenhet. Om fluksen ikke går vinkelrett på flaten og feltet ikke er homogent kan uttrykket gjøres mer generelt ved å uttrykke det som et vektorintegral:
der vinkelen ϕ er den mellom flatevektoren og den magnetiske fluksvektoren.
Det magnetiske feltet som virker på en (eller flere strømsløyfer) kan være frembrakt av enten permanentmagneter eller elektromagneter. En elektromagnet kan være laget av elektriske ledere som danner en spole slik at feltet fra hver enkelt vinding forsterkes. I henhold til Ampers lov vil nemlig enhver elektrisk ledere danne et magnetfelt rund seg.
Et eksempel med en strømsløyfe i et magnetfelt
Den enkle figuren til venstre brukes som et eksempel for et regnestykke med indusert spenning. En ledersløyfe med én vinding og med radius 0,20 meter roterer i et homogent magnetfelt med styrken 2,0 Tesla. Sløyfe begynner å rotere i det arealvektoren står 0° på feltlinjene, og dreies opp slik at arealvektoren står 90° på feltlinjene. Det vil si at sløyfe starter med å stå slik at arealvektoren er parallell med feltet og at den dreies en kvart omdreining til den er vinkelrett på magnetfeltet. Dermed er det ingen feltlinjer som går gjennom spolen etter at den er kommet i sluttposisjonen. Her forutsettes det at det tar 0,20 sekunder å rotere spolen, samt at dette skjer med jevn bevegelse. Figuren viser spolen i sluttposisjonen.
Først må en regne ut endringen av den magnetiske fluksen gjennom ledersløyfe fra begynnelses- til sluttposisjon. Endringen i magnetisk fluks finnes ved å subtrahere Φetter fra Φbegynnelse. Formelen for magnetisk fluks er som beskrevet over:
Cosinus til 90° er 0, så Φetter er lik 0. Med andre ord: Når ingen feltlinjer går gjennom spolen er den magnetiske fluksen gjennom den lik null.
Så finner en flukstettheten før rotasjonen:
endring i fluks blir dermed 0,25 Wb.
Indusert spenning blir av dette:
Det vil induseres en spenning på -1,25 V i spolen. Hvis lasten (load) ikke var tilkoblet kunne en ha målt denne spenningen mellom terminalene til de to børstene som glir langs sleperingene. Hvis det som her er tilknyttet en ekstern belastning vil det gå en strøm gjennom kretsen. For hver halve omdreining vil spenningen skifte retning, med andre ord lager denne enkle innretningen vekselstrøm. Dette er den prinsipielle virkemåten til en generator for elektrisk energiproduksjon. Spenningen som induseres (EMS) er proporsjonal med styrken av magnetfeltet (fluksen), omdreiningshastigheten, antall vindinger i strømsløyfen (antall vindinger i viklingen) og arealet av sløyfen. I sløyfen vil det være elektrisk motstand (resistans), dermed vil spenningen ut på terminalene være lavere enn EMS i vindingene. Det er dermed bare når generatoren er ubelastet at EMS kan måles direkte på terminalene.
Lorentz-kraften og bevegelsesindusert spenning
I figuren til venstre er det vist en stav med lengde L som beveger seg med jevn hastighet i et homogent magnetfelt med magnetisk flukstetthet . Om det da er en ladningspartikkel q i staven, vil det virke en kraft på den som kalles Lorentz-kraften. Den er gitt ved formelen
der krysset betyr kryssprodukt. Det vil si at vektorene og danner en vektor vinkelrett på disse. Forutsettes det at partikkelen er positivt ladd, vil kraften virke oppover langs staven. Om det er mange landningspartikler i staven, vil disse bevege seg slik at staven får en positiv ladning øverst og negativ nederst. Dette forårsaker et elektrisk felt i staven som har retning nedover, altså motsatt retning av den magnetiske kraften. Etter at staven har beveget seg en tid mot høyre i magnetfeltet vil ladningene akkumuleres i endene av staven. Når den elektriske kraften er like stor som den motsatt rettede, magnetiske kraften, oppstår det likevekt. Da har man at .
Størrelsen av potensialdifferensen U = Uøvre - Unedre er den elektriske feltstyrken E multiplisert med stavens lengde L. Denne spenningen kan måles over terminalene til venstre i figuren. Da man ved likevekt har at E = vB, blir den induserte spenningen