Rozpatrzmy następujące doświadczenie. Końce zwojnicy podłączamy do czułego amperomierza, który może mierzyć natężenie przepływającego przez nią prądu. Do wnętrza zwojnicy wsuwamy magnes, następnie przez chwilę trzymamy go nieruchomo, a na koniec wyjmujemy ze zwojnicy. Zauważymy, że w momencie wsuwania oraz wysuwania magnesu, przez zwojnicę płynął prąd elektryczny – oznacza to, że między jej końcami pojawiło się niezerowe napięcie elektryczne. W okresie gdy magnes pozostawał nieruchomy względem zwojnicy, prąd przez nią nie płynął.

Indukcją elektromagnetyczną nazywamy powstawanie napięcia w wyniku zmian pola magnetycznego, a prąd płynący dzięki temu zjawisku określa się jako prąd indukcyjny.

Do opisu indukcji elektromagnetycznej używamy pojęcia siły elektromotorycznej (SEM). Mówimy, że w zwojnicy indukuje się siła elektromotoryczna równa napięciu między końcami zwojnicy, która nie jest do niczego podłączona (analogia do siły elektromotorycznej ogniwa).

Analizując rozpatrywane powyżej doświadczenie zauważamy, że indukcję elektromagnetyczną wywołuje zmiana pola, a nie sama obecność pola!

Formalnie warunek występowania zjawiska indukcji elektromagnetycznej można zapisać następująco: zjawisko indukcji elektromagnetycznej zachodzi, gdy zmienia się liczba linii pola magnetycznego przechodzących przez obszar ograniczony pętlą przewodnika. Indukowana w przewodniku siła elektromotoryczna jest tym większa, im szybciej te zmiany następują.

Reguła Lenza

Reguła Lenza (inaczej: reguła przekory) jest regułą określającą kierunek zjawisk zachodzących w procesie indukcji elektromagnetycznej. Mówi ona, że prąd indukcyjny wzbudzony w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego wtórne (wyindukowane) pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie, która ten prąd wywołała (czyli zmianie pierwotnego pola magnetycznego).

I tak, np. gdy magnes zbliża się do zwojnicy, zaczyna w niej płynąć prąd w takim kierunku, że wytworzone przez nią pole magnetyczne odpycha zbliżający się magnes (Rys. 1.), a kiedy magnes oddala się od zwojnicy, zaczyna w niej płynąć prąd w takim kierunku, że jej pole magnetyczne przyciąga magnes (Rys. 2). Na rysunkach zaznaczono przepływ prądu indukcyjnego w zwojnicy na fragmentach jej zwojów, które znajdują się bliżej patrzącego.

Rys. 1.

Rys. 2.

Reguła Lenza wynika z zasady zachowania energii – gdyby pole magnetyczne zwojnicy powodowało dalszy wzrost prędkości magnesu, jego energia kinetyczna rosłaby w nieskończoność. Energia kinetyczna magnesu zamienia się w energię elektryczną prądu indukcyjnego, a ta z kolei zostaje rozproszona na skutek oporu elektrycznego zwojnicy.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej znalazło niezwykle szerokie zastosowanie we wszelkiego rodzaju urządzeniach, takich jak m. in. transformatory, prądnice (więcej o nich w kolejnych rozdziałach) czy kuchenki indukcyjne.

Przykład:

Magnes zbliża się do zwojnicy w sposób ukazany na rysunku poniżej. Określ, w którą stronę prąd płynie przez amperomierz.

Rozwiązanie:

Zgodnie z regułą Lenza, skoro magnes zbliża się do zwojnicy, to pole magnetyczne prądu indukcyjnego powstałego w zwojnicy będzie odpychać ów magnes od zwojnicy. Oznacza to, że zwojnica wytworzy pole magnetyczne takie, jak magnes skierowany biegunem południowym w stronę zbliżającego się magnesu. Wówczas zwrot prądu indukcyjnego w zwojnicy wyznaczymy za pomocą reguły prawej dłoni – stąd stwierdzamy, że prąd indukcyjny płynął przez amperomierz od lewej do prawej.

Zadanie do zrobienia:

1. Zapisz, w którą stronę należy przesunąć suwak w obwodzie po prawej stronie, aby w zwojnicy po lewej stronie popłynął wyindukowany prąd o kierunku zaznaczonym na rysunku poniżej. Zaznacz bieguny magnetyczne wytworzone po obu stronach lewej zwojnicy.

Odp.: Suwak należy przesunąć w lewo, po lewej stronie lewej zwojnicy biegun N, po prawej biegun S.

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-elektromagnetyzm-2