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 at den magnetiske fluksen gjennom strømkretsen endres. Dette kan skje for eksempel ved at en strømkrets roterer i 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 kokeplater og i kontaktløse ladere.
Elektromagnetisk induksjon kan utnyttes til å produsere strøm i en leder på flere måter:
- Ved å endre arealet av strømsløyfen (kretsen) som et magnetfelt passerer gjennom
- Ved å endre styrken av det magnetiske feltet gjennom arealet av strømsløyfen
- Ved en kombinasjon av disse metodene
For eksempel induseres det en strøm når en magnet faller gjennom en spole, det vil si flere viklinger av en elektrisk leder, se figur 1. Det kan også induseres en strøm når en leder beveges i et magnetfelt, se figur 6.
Hva er induksjon?
Elektromagnetisk induksjon (heretter «induksjon») er 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.
Man kan forstå hvordan 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 (se lorentzkraften).
Faradays induksjonslov
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.
Sammenhengen mellom elektrisitet og induksjon ble beskrevet gjennom det som i dag kalles Faradays induksjonslov. Denne loven sier at indusert spenning i en elektrisk krets er lik endringen av magnetisk fluks gjennom kretsen per sekund.
Den magnetiske flukstettheten kalles 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. Det vil altså si at Φ = BA.
Se nå på et 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 «ems» er lik minus den deriverte med hensyn på tiden av den magnetiske fluksen gjennom flaten som lederen omslutter, \[\text{ems}=–\frac{d \Phi}{dt}.\]
Fluksen kan endres på to måter: ved at styrken av magnetfeltet endres, eller ved at lederen beveger seg i magnetfeltet, for eksempel roterer, som 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.
Anvendelser av Faradays induksjonslov
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.
Med bokstavene som brukes i figur 6 blir formelen for den induserte spenningen U = vB0L. Ifølge Ohms lov er spenningen gjennom en motstandstråd lik trådens resistans, R, ganger strømmen, I, altså U = RI. Følgelig blir den induserte strømmen \(I = \frac{vB_0L}{R}\). 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.
Maxwells forståelse av induksjon
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 gir strøm i lederen.
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. Et eksempel er trådløse ladere til mobiltelefoner, der energien overføres på samme måte som i en transformator (se figur 4). Forskjellen er at det er én spole i laderen og en annen i apparatet som skal lades opp.