Elektromagnetisk induksjon

Elektromagnetisk induksjon er å lage elektrisk spenning i en elektrisk krets ved å endre magnetfeltet omsluttet av kretsen eller ved å bevege kretsen i et magnetfelt. Elektromagnetisk induksjon binder dermed sammen elektrisitet og magnetisme og er svært viktig i forhold til anvendelser, f.eks. generatorer, transformatorer og elektroniske komponenter. Prinsippet ble oppdaget av Michael Faraday i 1831.

Indusert spenning i en elektrisk leder med én vinding i et magnetfelt er gitt ved Faradays induksjonslov

$\mathcal{E} = -{{d\Phi_B} \over dt}$

Hvor $\mathcal{E}$ er elektromotorisk spenning (ems) og Φ_B er magnetisk fluks.

Dette betyr i praksis at elektrisk spenning vil oppstå i en elektrisk leder dersom den magnetiske fluksen gjennom lederen endres. Om lederen er sluttet vil den danne en krets og det vil gå strøm igjennom denne grunnet den induserte spenningen. Størrelsen på strømmen avhenger av resistansen til kretsen jfr Ohms lov. Dette gjelder selv om selve magnetfeltets styrke endres, eller om selve lederen for eksempel roterer i magnetfeltet, og på den måten endrer den magnetiske fluksen gjennom lederen.

Induksjonsprinsippet ligger til grunn for de fleste elektriske apparater, og er også grunnen til at strøm kan produseres ved hjelp av generatorer.

Eksempel

En spole med én vindig og med radius 0,20 meter roterer i et homogent magnetfelt med styrken 2,0 Tesla. Spolen begynner å rotere i det arealvektoren står 0° på feltlinjene, og dreies opp slik at arealvektoren står 90° på feltlinjene. Det vil si at spolen starter med å stå slik at arealvektoren er parallell med feltet og at den tiltes til den er vinkelrett på magnetfeltet, slik at ingen feltlinjer går gjennom spolen. Det tar 0,20 sekunder å rotere spolen.

Først må man regne ut endringen i den magnetiske fluksen gjennom spolen. Endringen i magnetisk fluks finnes ved å subtrahere fluks_etter fra fluks_før. Formelen for magnetisk fluks er

$\ \Phi = AB \cos \theta$

hvor A er arealet av spolen, B er magnetfeltets styrke og $\ \theta$ er vinkelen mellom arealvektoren og magnetfeltets feltlinjer.

Cosinus til 90° er 0, så fluks_etter må være lik 0. Når ingen feltlinjer går gjennom spolen, er den magnetiske fluksen gjennom den lik null.

Vi regner ut fluks_før:

$\ \Phi = 3,14\cdot (0,20~m)^2 \cdot\ 2~T = 0,25 ~Wb$

Endring i fluks blir dermed 0,25 Wb.

Indusert spenning blir da

$\mathcal{E} = -{{0,25~Wb} \over 0,20 ~s} = -1,25~ V$

Det vil induseres en spenning på -1,25 Volt i spolen. Det negative fortegnet sier retningen til den induserte strømmen, se Lenz' lov. Hvis lederen er lukket vil det gå en strøm gjennom den og dette er også hvordan induksjon utnyttes i generatorer.