iSES - Internet School Experimental System: Remote Laboratory

Remote Experiments

Elektromagnetická indukce

Physical Background

Elektromagnetická indukce je jev vzájemné vazby magnetického a elektrického pole, kdy vzniká elektrické pole vždy, když vznikne proměnné magnetické pole a naopak. V základním kurzu fyziky se často jako příklad tohoto jevu uvádí generování elektrického pole v případe, kdy pohybujeme tyčovým magnetem v jádru cívky, v jejíchž závitech protéká el.proud, tehdy se generuje časově závislé magnetické pole. Na připojeném měřícím zařízení můžeme pozorovat výchylku, která je způsobená časově proměnným elektrickým polem v závitech cívky. Elektromagnetická indukce se využívá například v dynamech nebo alternátorech - zařízeních, které transformují mechanickou energii na elektrickou.

Pro kvantitativní popis experimentu je nevyhnutelné zavést některé fyzikální veličiny a jejich symboly.

Magnetický tok plochou závitu smyčky

Pro jakýkoliv bod roviny resp. element plochy dS, ohraničené závitem smyčky, určené plochou S a indukcí magnetického pole B, je magnetický tok Φ_mag plochou závitu kde dS je vektor, kolmý na plochu smyčky s velikostí rovnou elementu plochy smyčky dS.
Jednotkou magnetického toku je weber, [Φ_mag] = Wb, magnetické indukce tesla [B] = T.
V případe konstantní magnetické indukce B platí:

kde α je úhel mezi vektory B a S, teda úhel mezi normálou na plochu závitu a vektorem magnetické indukce.

Elektromotorické napětí ε, [ε] = V (volt), indukované v jednom závitu je určené Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce:

Magnetické pole se může měnit v důsledku:

časové změny velikosti magnetické indukce B(t)
změny velikosti plochy S(t),
změny vzájemné orientace vektorů B a dS, teda změnou úhlu α(t).

V našem experimentu využijeme třetí možnost (cívku otáčející se v homogenním magnetickém poli). V tomto specifickém experimentu použijeme uspořádání podle obr. 1, na kterém rovinný závit plochy S rotuje okolo pevné osy, ležící v rovině závitu, v homogenním magnetickém poli s magnetickou indukcí B..
Elektromotorické napětí indukované v jednom závitu, určené vztahem (3), v případě homogenního konstantního pole B(t) = konst. a S(t) = konst., přejde do tvaru

Obr. 1 Závit plochy S otáčející se v homogenním magnetickém poli s magnetickou indukcí B.

Závit rotuje konstantní úhlovou frekvencíω = 2π/T, kde T je perioda pohybu, (viz obr. 1) a opíše úhel α (resp. úhlovou dráhu α ) α = ωt, a tak indukované elektromotorické napětí v N závitech je:

Integrováním rovnice (5) získáme důležitou podmínku, která musí být splněná, platí-li Faradayův zákon elektromagnetické indukce:

Autor studijního textu: Prof. Dr. František Schauer, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně