Atunci când un curent continuu trece printr-un conductor lung drept, în jurul lui se dezvoltă o forță de magnetizare H și un câmp magnetic static B.

Dacă firul este apoi înfășurat într-o bobină, câmpul magnetic este puternic intensificat, producând un câmp magnetic static în jurul său, de forma unui magnet bară, care dă un pol nord și unul sud distincte.

Fluxul magnetic dezvoltat în jurul bobinei este proporțional cu cantitatea de curent care curge în înfășurările bobinei, așa cum este arătat. Dacă straturi suplimentare de sârmă sunt înfășurate pe aceeași bobină, cu același curent care curge prin ele, intensitatea câmpului magnetic static ar crește.

Prin urmare, intensitatea câmpului magnetic al unei bobine este determinată de amperii-spire ale bobinei. Cu cât mai multe spire de sârmă în bobină, cu atât este mai mare rezistența câmpului magnetic static din jurul acesteia.

Dar ce se întâmplă dacă am inversat această idee, prin deconectarea curentului electric de la bobină și în locul unui miez gol am plasat un magnet bară în interiorul miezului bobinei de sârmă. Prin deplasarea acestui magnet bară "în" și "de la" bobină, un curent va fi indus în bobină prin mișcarea fizică a fluxului magnetic din interiorul acesteia.

De asemenea, dacă ținem magnetul bară staționar și am deplasat bobina înainte și înapoi în câmpul magnetic, un curent electric ar fi indus în bobină. Atunci, fie prin mișcarea firului, fie prin schimbarea câmpului magnetic, putem induce o tensiune și un curent în bobină și acest proces este cunoscut ca inducție electromagnetică și este principiul de bază al funcționării transformatoarelor, motoarelor și generatoarelor.

Inducția electromagnetică a fost descoperită pentru prima oară în anii 1830 de Michael Faraday. Faraday a observat că atunci când a mutat un magnet permanent în și dintr-o bobină sau dintr-o singură buclă de sârmă, a indus o forță electromotoare sau emf, cu alte cuvinte o tensiune și, prin urmare, a fost produs un curent.

Deci, ceea ce a descoperit Michael Faraday a fost o modalitate de a produce un curent electric într-un circuit folosind doar forța unui câmp magnetic și nu a bateriilor. Aceasta conduce apoi la o lege foarte importantă care leagă electricitatea cu magnetismul, Legea lui Faraday a inducției electromagnetice. Deci, cum funcționează acest lucru?

Când magnetul prezentat mai jos este deplasat spre "bobină", ​​acul galvanometrului, care este un ampermetru cu bobină mobilă foarte sensibil în poziția de zero (centrală), se va depărta de poziția sa centrală într-o singură direcție. Când magnetul se oprește din mișcare și este ținut staționar în ceea ce privește bobina, acul galvanometrului revine la zero deoarece nu există mișcare fizică a câmpului magnetic.

De asemenea, atunci când magnetul este deplasat "departe" de bobină în cealaltă direcție, acul galvanometrului se deplasează în direcția opusă față de primul, indicând o schimbare a polarității. Atunci, prin deplasarea magnetului înainte și înapoi spre bobină, acul galvanometrului se va deplasa la stânga sau la dreapta, pozitiv sau negativ, în raport cu mișcarea de direcționare a magnetului.

Inducția electromagnetică cu un magnet în mișcare

De asemenea, dacă magnetul este acum ținut staționar și numai bobina este deplasată spre sau departe de magnet, acul galvanometrului se va deplasa și el în ambele direcții. Atunci, acțiunea de a deplasa o bobină sau o buclă de sârmă printr-un câmp magnetic induce o tensiune în bobină cu mărimea acestei tensiuni induse fiind proporțională cu viteza sau viteza mișcării.

Atunci putem vedea că cu cât este mai rapidă mișcarea câmpului magnetic, cu atât mai mare va fi tensiunea sau emf indusă în bobină, așa că pentru ca Legea lui Faraday să respecte adevărul trebuie să existe "mișcare relativă" sau deplasare între bobină și câmpul magnetic și fie câmpul magnetic, bobina, fie ambele se pot deplasa.

Legea inducției a lui Faraday

Din descrierea de mai sus putem spune că există o relație între o tensiune electrică și un câmp magnetic variabil la care faimoasa lege a lui Michael Faraday despre inducția electromagnetică afirmă: "că o tensiune este indusă într-un circuit ori de câte ori există o mișcare relativă între un conductor și un magnetic câmp și că mărimea acestei tensiuni este proporțională cu rata de schimbare a fluxului".

Altfel spus, inducția electromagnetică este procesul de utilizare a câmpurilor magnetice pentru a produce tensiune, iar în circuit închis, un curent.

Deci, cât de multă tensiune (emf) poate fi indusă în bobină folosind doar magnetism? Acest lucru este determinat de următorii 3 factori diferiți.

1). Creșterea numărului de spire de sârmă în bobină

- Prin mărirea numărului de conductori individual tăiați prin câmpul magnetic, cantitatea de emf indusă produsă va fi suma tuturor buclelor individuale ale bobinei, astfel încât dacă există 20 de spire în bobină va fi de 20 de ori mai multă emf indusă decât într-o singură bucată de fir.

2). Creșterea vitezei mișcării relative între bobină și magnet

- Dacă aceeași sârmă a bobinei a trecut prin același câmp magnetic, dar viteza sa este mărită, sârma va tăia liniile de flux la o rată mai rapidă, astfel că ar fi produs mai multă emf indusă.

3). Creșterea intensității câmpului magnetic

- Dacă aceeași bobină de sârmă este deplasată la aceeași viteză printr-un câmp magnetic mai puternic, va fi produsă mai multă emf, deoarece există mai multe linii de forță de tăiat.

Dacă am reușit să deplasăm magnetul în diagrama de mai sus în și în afara bobinei la o viteză constantă și la o distanță constantă fără oprire, am genera o tensiune indusă continuu care ar alterna între o polaritate pozitivă și o polaritate negativă producând o tensiune de ieșire AC sau alternativă și acesta este principiul de bază al modului în care un generator electric funcționează, similar cu cele utilizate în dinamuri și alternatoare de mașină.

În generatoarele mici, cum ar fi dinamul bicicletei, un mic magnet permanent se rotește prin acțiunea roții bicicletei în interiorul unei bobine fixe. În mod alternativ, un electromagnet alimentat de o tensiune DC fixă ​​poate fi făcut să se rotească în interiorul unei bobine fixe, cum ar fi la generatoare de putere mare, producând în ambele cazuri un curent alternativ.

Generator simplu utilizând inducția magnetică

Generatorul simplu, de tip dinam, de mai sus constă dintr-un magnet permanent care se rotește în jurul unui arbore central cu o bobină de sârmă plasată lângă acest câmp magnetic rotativ. Pe măsură ce magnetul se rotește, câmpul magnetic din partea de sus și de jos a bobinei se schimbă în mod constant între un pol nord și unul sud. Această mișcare de rotație a câmpului magnetic are ca rezultat o emf alternantă care este indusă în bobină, așa cum este definită de legea lui Faraday a inducției electromagnetice.

Magnitudinea inducției electromagnetice este direct proporțională cu densitatea de flux β, numărul de bucle care dau o lungime totală a conductorului l în metri și rata sau viteza ν la care se schimbă câmpul magnetic în interiorul conductorului în metri/secundă sau m/s, dând expresia emf de mișcare:

Expresia emf de mișcare a lui Faraday

ε = - β.l.v volți

Dacă conductorul nu se mișcă în unghi drept (90°) față de câmpul magnetic, atunci unghiul θ° va fi adăugat expresiei de mai sus, oferind o ieșire redusă pe măsură ce crește unghiul:

ε = - β.l.v sinϴ volți

Legea inducției electromagnetice a lui Lenz

Legea lui Faraday ne spune că inducerea unei tensiuni într-un conductor se poate face fie prin trecerea acestuia printr-un câmp magnetic, fie prin deplasarea câmpului magnetic peste conductor și dacă acest conductor face parte dintr-un circuit închis, va curge un curent electric. Această tensiune se numește emf indusă deoarece a fost indusă în conductor printr-un câmp magnetic în schimbare din cauza inducției electromagnetice, cu semnul negativ din legea lui Faraday care ne spune direcția curentului indus (sau polaritatea emf indusă).

Dar un flux magnetic variabil produce un curent variabil prin bobină, care va produce propriul câmp magnetic, așa cum am văzut în tutorialul Electromagneți. Această emf auto-indusă se opune schimbării care o provoacă și cu cât rata de schimbare a curentului este mai mare cu atât mai mare este emf opusă. Această emf auto-indusă, prin legea lui Lenz, se va opune schimbării curentului în bobină și, din cauza direcției sale, această emf auto-indusă este în general numită back-emf (emf inversă).

Legea lui Lenz afirmă că: "direcția unei emf induse este astfel încât se va opune întotdeauna schimbării care o cauzează". Cu alte cuvinte, un curent indus va fi întotdeauna OPUS mișcării sau schimbării care a declanșat curentul indus în primul rând și această idee se găsește în analiza inductanței.

De asemenea, dacă fluxul magnetic este micșorat, emf indusă se va opune acestei scăderi prin generarea unui flux magnetic indus care se adaugă fluxului original.

Legea lui Lenz este una din legile fundamentale privind inducția electromagnetică pentru determinarea direcției de curgere a curenților induși și este legată de legea conservării energiei.

Conform legii conservării energiei, care prevede că cantitatea totală de energie din univers va rămâne întotdeauna constantă, deoarece energia nu poate fi creată și nici distrusă. Legea lui Lenz este derivată din legea inducției a lui Michael Faraday.

Un comentariu final despre Legea lui Lenz privind inducția electromagnetică. Acum știm că atunci când există o mișcare relativă între un conductor și un câmp magnetic, o emf este indusă în conductor.

Dar conductorul poate să nu fie de fapt parte a circuitului electric al bobinelor, dar poate fi miezul de fier al bobinei sau o altă parte metalică a sistemului, de exemplu, un transformator. Emf indusă în această parte metalică a sistemului determină curgerea unui curent circulant în jurul acesteia și acest tip de curent de miez este cunoscut ca un curent turbionar (Eddy current).

Curenții turbionari generați prin inducție electromagnetică circulă în jurul miezului bobinelor sau a oricăror componente metalice de legătură din interiorul câmpului magnetic, deoarece pentru fluxul magnetic ele acționează ca o singură buclă de sârmă. Curenții turbionari nu contribuie cu nimic la utilitatea sistemului, ci se opun curgerii curentului indus prin acționarea ca o forță negativă care generează încălzire rezistivă și pierdere de putere în miez. Cu toate acestea, există aplicații de cuptoare de inducție electromagnetică în care doar curenții turbionari sunt utilizați pentru încălzirea și topirea metalelor feromagnetice.

Curenții turbionari care circulă într-un transformator

Schimbarea fluxului magnetic în miezul de fier al unui transformator de mai sus va induce o emf, nu numai în înfășurările primare și secundare, ci și în miezul de fier. Miezul de fier este un bun conductor, deci curenții induși într-un nucleu solid de fier vor fi mari. Mai mult, curenții turbionari curg într-o direcție care, prin legea lui Lenz, acționează pentru a slăbi fluxul creat de bobina primară. În consecință, curentul în bobina primară necesar pentru a produce un câmp B dat este mărit, astfel încât curbele de histerezis sunt mai groase de-a lungul axei H.

Pierderile prin curenți turbionari și histerezis nu pot fi eliminate complet, dar pot fi reduse foarte mult. În loc să aibă un miez de fier solid ca material de miez magnetic al transformatorului sau bobinei, calea magnetică este "laminată".

Aceste straturi sunt benzi foarte subțiri de metal izolat (de obicei cu vopsea) îmbinate pentru a produce un miez solid. Laminările sporesc rezistența miezului de fier, mărind astfel rezistența totală la curgerea curenților turbionari, astfel că pierderea de putere prin curenții turbionari induși în miez este redusă și din acest motiv circuitul de fier magnetic al transformatoarelor și mașinilor electrice sunt laminate.