elektromagnetisk 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).

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.

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.

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.

• elektrisk strøm
• magnetisme
• kraftverk
• Faradays induksjonslov
• elektromagnetisme