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.

Elektromagnetisk induksjon av Honina. CC BY SA 3.0

Figur 3. Jernringen som Faraday brukte til å demonstrere elektrisk induksjon. 

Faradays jernring av Frederick Bedell (1868-1958). Falt i det fri (Public domain)

Elektromagnetisk induksjon er produksjon av elektrisk strøm ved hjelp av et magnetfelt. 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.

Man kan utnytte induksjon 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 det passerer et magnetfelt 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 (Figur 1).

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.

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).

Induksjon av Michael Lenz. Falt i det fri (Public domain)

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.

Den 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 (Figur 7).

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. 

Figur 7. Et variabelt magnetisk felt (blå piler) gir opphav til en 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.

Magnetisk og elektrisk felt av MovGP0. CC BY SA 2.0

Elektromagnetisk induksjon utnyttes i mange moderne husholdningsapparater. I induksjonsplatetopper overføres energien til kokekaret ved hjelp av induksjon. Induksjonsladere lader batterier på avstand uten at det er fysisk kontakt mellom batteriet og strømkilden. En induksjonslader for eksempel til en elektrisk tannbørste fungerer på liknende måte som en transformator (Figur 4). Forskjellen er at det er en spole i laderen og en annen i apparatet som skal lades opp. 

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

7. juni 2010 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?

4. august 2010 svarte Knut A Rosvold

Marius Tufte har ventet på svar lenge.

Har du spørsmål til artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.