Elektromagnetisk induksjon er produksjon av elektrisk strøm ved hjelp av et magnetfelt. Det kan produseres strøm i en ledende krets enten ved at magnetfeltet gjennom kretsen varierer i styrke eller ved at en leder i et magnetfelt har en bevegelse på tvers av magnetfeltet, eller ved en kombinasjon av disse metodene.
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.
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.
I sin mest generelle form beskrives induksjon i 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.
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 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).
Utdyping og 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 og 3 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 4 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 5. 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 5, 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 6).
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.
Bruk i husholdningapparater
Mange moderne kokeplater bruker induksjon (Figur 7). Under kokesonene på en koketopp med induksjon er det spoler med tette vindinger og utstyr som øker frekvensen til vekselstrømmen fra 50 Hz som kommer fra nettet, og helt opp til 20-40kHz. Dette skal hindre grytene i å vibrere for mye når strømmen slås på.
En varierende elektrisk strøm forårsaker et varierende magnetfelt som induserer et elektrisk felt i materialet til for eksempel en stekepanne med magnetisert materiale i bunnen. Dette lager mikroskopiske strømmer i pannens materiale og genererer varme. Det er altså ikke en plate som blir varm, men stekepannen varmes opp så å si på avstand av det induserte elektriske feltet.
Induksjonsladere (Figur 8) er nå mye i bruk, for eksempel ladere til elektriske tannbørster. Laderen er en plastgjenstand med en ledning og en stikkontakt til et strømuttak. Tannbørsten settes på laderen og det er ingen ledning som fører inn i tannbørsten til batteriet. Batteriet lades på avstand uten at det er fysisk kontakt mellom batteriet og strømkilden.
Man kan undres på hvordan elektrisk energi kan overføres mellom to plastisolatorer. Hemmeligheten ligger i at batteriet lades ved hjelp av induksjon. I laderen er det en primærspole hvor det går strøm.
Laderen og tannbørsten fungerer på liknende måte som en transformator (Figur 3) bare at den ene spolen er i laderen og den andre i tannbørsten. Primærspolen i laderen får vekselstrøm fra uttaket. Når strømmen i primærspolen varierer induseres strøm i sekundærspolen, og denne lader opp batteriet. Slike induksjonsladere brukes gjerne i baderomsutstyr hvor det er fare for at det elektriske utstyret kan bli vått.