elektromagnetisk induksjon

Figur 1. En leder som beveges gjennom et magnetfelt med flukstetthet B med en kraft F får indusert en elektromotorisk spenning som forårsaker en strøm i lederen dersom man lager en lukket krets.

Figur 2. Faradays eksperiment som viser induksjon mellom spoler av elektriske ledere: Batteriet til høyre gir en konstant strøm som går gjennom den lille spolen (A) som skaper et magnetfelt. Når spolene er i ro blir det ikke indusert noe strøm, men om den lille spolen beveges inn og ut av den store spolen (B) går det en varierende magnetisk fluks gjennom den store spolen. Dette induserer en spenning som måles med galvanometeret (G).
Figur 3. Jernringen som Faraday brukte til å demonstrere elektrisk induksjon. 
Av .
Figur 4. En kopling med Faradays jernring for induksjon. Endring av strømmen i den venstre spolen forårsaker et varierende magnetfelt i jernkjernen. Dette feltet følger jernkjernen som bøyer det av og leder det inn i den høyre spolen. Der induserer det varierende magnetfeltet et elektrisk felt i retning av lederen som er viklet rundt jernkjernen. Dermed vil det induseres en strøm i denne lederen som kan måles med amperemeteret. Induksjon brukt på denne måten er prinsippet bak transformatorer.
Figur 5. Mekaniske krefter, for eksempel vannkraft, får en leder i et magnetfelt til å rotere raskt. Dermed induseres en spenning i lederen. Den overføres til en ytre krets som gir strøm til et brukernett.
Av .
Figur 6. En stav (hvit) som beveger seg på skinner mot høyre med en jevn hastighet v i et magnetfelt B0. Staven bør være en god leder, og det forutsettes å være elektrisk kontakt med skinnene. Lengden av staven er L. Bokstaven U står for den induserte spenningen. Magnetfeltet peker rett inn mot skjermen (parallelt med leserens blikk).
Figur 7. Et variabelt magnetisk felt (blå piler) gir opphav til et indusert elektrisk felt (røde ringer). I en ledersløyfe med samme utstrekning som en av de røde ringene gir dette en indusert spenning. Prikken over B symboliserer at magnetfeltet endres.

Elektromagnetisk induksjon er produksjon av elektrisk strøm ved hjelp av et magnetfelt. Mer presist handler det om å produsere en elektromotorisk spenning og dermed strøm i en strømkrets ved forandring av den magnetiske fluksen gjennom strømkretsen. Dette kan skje for eksempel ved at en strømkrets roterer i et magnetfelt.

Faktaboks

uttale:
el'ektromagnˈetisk induksj'on

Fenomenet er av grunnleggende betydning for strømforsyningen. Både kraftverk og transformatorer virker ved hjelp av induksjon. Induksjon brukes også i enkelte husholdningsapparater, for eksempel i nyere kokeplater og i kontaktløse ladere.

Induksjon kan utnyttes til å produsere strøm i en leder på flere måter:

  • Ved å endre styrken av det magnetiske feltet gjennom lederen
  • Ved å endre arealet av strømsløyfen (kretsen) som et magnetfelt passerer gjennom
  • Ved en kombinasjon av disse metodene

Et eksempel på det siste er at strømmen i lederen produseres ved å bevege lederen inn og ut av et magnetfelt, se figur 1.

Hva er induksjon?

Mer presist innebærer elektromagnetisk induksjon (heretter «induksjon») at spenning og dermed strøm produseres i en strømsløyfe (krets) ved at den magnetiske fluksen gjennom strømsløyfen endres.

Magnetisk fluks er produktet av magnetisk flukstetthet og areal. Magnetisk flukstetthet er et mål for hvor sterkt et magnetfelt er, og ble tidligere kalt magnetisk feltstyrke.

Vi kan forstå hvorfor induksjon virker ved hjelp av Maxwells elektromagnetiske teori, som sier at et varierende magnetisk felt induserer et elektrisk felt. Det induserte elektriske feltet står vinkelrett på magnetfeltet. Dersom en krets plasseres langsetter det elektriske feltet, vil det virke på frie elektroner i en leder og forårsake en indusert strøm.

Det induserte elektriske feltet strekker seg utenfor det varierende magnetfeltet. Derfor kan induksjon opptre på avstand: et varierende magnetfelt ett sted kan indusere strøm i en leder som omgir magnetfeltet, men ikke passerer gjennom det. Men i en situasjon der en leder beveger seg gjennom et magnetfelt som ikke endres, er forklaringen annerledes. Da skyldes den induserte strømmen at de frie elektronene i lederen påvirkes av en magnetkraft.

Faradays induksjonslov

Vi betegner magnetisk flukstetthet med B. Magnetisk fluks, Φ, er produktet av B og arealet av en flate som magnetfeltet passerer gjennom. Arealet A er komponenten av flatens areal vinkelrett på magnetfeltet. Så hvis flaten endrer orientering, endrer A seg. Vi har altså at Φ = BA.

Betrakt er magnetfelt som passerer gjennom en flate omgitt av en leder. Faradays induksjonslov sier at spenningen som induseres i lederen, er minus endringen i magnetisk fluks per tidsenhet gjennom flaten. Dette formuleres matematisk ved å skrive at den induserte spenningen er lik minus den deriverte med hensyn på tiden av den magnetiske fluksen gjennom flaten som lederen omslutter, \[U_{ind}=–\frac{d \Phi}{dt}.\]

Fluksen kan endres på to måter: ved at styrken av magnetfeltet endres, eller ved at lederen beveger seg i magnetfeltet for eksempel roterer, slik vi ser i Figur 5. Minustegnet har sammenheng med Lenz' lov som sier at induksjonen forårsaker en strøm med en slik retning at magnetfeltet til den induserte strømmen motvirker endringen i magnetisk fluks som forårsaket den.

Historikk

Fenomenet elektromagnetisk induksjon ble oppdaget av briten Michael Faraday i 1831. Han viste at når man beveger en magnet inn gjennom eller ut av en leder som for eksempel er formet som en ring, så oppstår det en elektrisk strøm i lederen. Figurene 2, 3 og 4 viser apparaturen i to av Faradays første eksperimenter der han demonstrerte induksjon.

24. november 1831 og 12. januar 1832 publiserte Faraday to artikler om sine forsøk. Her ble Faradays lov som beskriver sammenhengen mellom elektrisitet og induksjon gjort kjent. Denne loven sier at indusert spenning i en elektrisk krets er lik endringen av magnetisk fluks gjennom kretsen per sekund.

Figur 5 viser hvordan man kan lage elektrisk strøm ved å la en strømsløyfe rotere i et magnetfelt. Dette er prinsippet bak produksjon av elektrisk strøm i kraftverk. Man bruker for eksempel vannkraft til å rotere en leder i en turbin. Lederen befinner seg i et magnetfelt, og det må en kraft til for å rotere lederen, for eksempel kraften fra vann i bevegelse.

Indusert spenning og strøm kan også produseres ved å la arealet innenfor en strømsløyfe variere som vist i figur 6. Strømsløyfen utgjøres her av staven og den delen av bøylen som er til venstre for staven. Når staven beveger seg mot høyre, økes arealet innenfor strømsløyfen og dermed den magnetiske fluksen gjennom den. Da induseres en elektrisk spenning.

Bruker vi bokstavene vist i figur 6, blir formelen for den induserte spenningen U = vB0L. Ifølge Ohms lov er spenningen gjennom en motstandstråd lik trådens resistans, R, ganger strømstyrken, I, altså U = RI. Følgelig blir den induserte strømstyrken I = vB0L / R. Hurtig bevegelse, stor strømsløyfe og sterkt magnetfelt gir stor indusert strøm.

I denne situasjonen er den fysiske mekanismen at det virker en magnetkraft på en ladd partikkel i bevegelse i et magnetfelt. Magnetkraften står vinkelrett både på hastigheten og magnetfeltet og følger høyrehåndsregelen: Legg den høyre hånden med fingrene langs bevegelsesretningen og drei dem mot magnetfeltet med tommelen som akse. Da peker tommelen i den magnetiske kraftens retning. Dermed induseres en elektrisk strøm i lederen i magnetkraftens retning.

Den fulle forståelsen av fenomenet induksjon ble utarbeidet av den skotske fysikeren James Clerk Maxwell i 1860-årene. Han viste at når et magnetfelt endres, induseres et elektrisk felt. Det induserte elektriske feltet står vinkelrett på magnetfeltet og kan lage en strøm i en leder som er i ro. Dersom en leder plasseres langs det elektriske feltet, vil det virke elektriske krefter på elektroner i lederen, og dermed induseres en strøm i lederen, se figur 7.

Med Maxwells innsikt kan eksperimentet vist i figur 4 forklares slik: Elektrisk strøm forårsaker et magnetfelt. Når strømmen i venstre spole endres, så endres magnetfeltet. En del av feltet går gjennom jernringen og dermed gjennom metalltråden rundt den høyre delen av jernringen.Dermed blir det en endring av magnetfeltet gjennom lederen. Dette frembringer strøm i lederen.

I en situasjon der en leder beveger seg gjennom et konstant magnetfelt, er det derimot magnetkrefter på de frie elektronene i lederen som lager strømmen. I begge situasjonene snakker man om induksjon.

Anvendelser

Noen anvendelser av elektromagnetisk induksjon:

  • Elektriske motorer, som nå er i økende bruk i biler, og hvor man også sikter mot å ta denne typen motorer i bruk i andre typer transport, som busser og båter.
  • Generatorer som produserer elektrisk strøm i kraftverk. En pioner i arbeidet med å utvikle dette var Nikola Tesla.
  • Induksjonskokeplate for matlaging.
  • Indikasjonssløyfer er elektriske ledersløyfer som for eksempel avgrenser bevegelsesområdet til en automatisk gressklipper.
  • Pickup i elektriske gitarer nyttiggjør seg induksjon.
  • Teleslynge overfører lyd som fanges opp i høreapparater, og brukes for eksempel i de fleste kirker.
  • Transformatorer som omformer høyspenning i ledningene fra et kraftverk til lavspenning som egner seg for bruk i for eksempel i boliger.
  • Trådløs lader er en lader som ikke behøver å være i fysisk kontakt med batteriet som lades opp, som for eksempel en lader til en mobiltelefon, der telefonen puttes opp i en plastikklader hvor selve lademekanismen som er knyttet til nettet med en ledning, ikke har kontakt med batteriet som skal lades opp. Batteriet lades her opp ved hjelp av induksjon. En induksjonslader fungerer på liknende måte som en transformator (se figur 4). Forskjellen er at det er én spole i laderen og en annen i apparatet som skal lades opp.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (3)

skrev Marius Tufte

Jeg mener at det skal være minus foran lim, slik at emsen blir -1 ganget med fluksen derivert. Noen som vil bekrefe det?

svarte Knut A Rosvold

Marius Tufte har ventet på svar lenge.

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg