Inducția electromagnetică

Fenomenul de inducție electromagnetică reprezintă apariția unui curent electric indus, respectiv a unei tensiuni electromotoare induse într-un circuit electric închis străbătut de un flux magnetic variabil în timp.

Fluxul câmpului magnetic

Fluxul câmpului magnetic este o mărime fizică scalară ce descrie numărul de linii de câmp magnetic ce străbate o suprafață.

$\Phi =\overrightarrow{B}·\overrightarrow{S}=BS\cos \left(\alpha \right)$

Vectorul suprafață are modulul egal cu aria suprafeței respective, are direcția perpendiculară pe suprafață și sensul dat de regula burghiului drept. 

În Sistemul Internațional fluxul câmpului magnetic se măsoară în Weber (Wb).

Putem obține o variație a fluxului magnetic astfel:

• modificând mărimea vectorului inducție magnetică;
• modificând aria suprafeței circuitului;
• modificând unghiul dintre liniile de câmp și suprafața circuitului.

 Regula lui Lenz

Dacă un circuit electric este străbătut de un flux magnetic variabil în timp, atunci:

• fluxul ce generează curentul indus se numește flux inductor;
• tensiunea electromotoare și curentul ce apar datorită fenomenului de inducție electromagnetică se numesc tensiune electromotoare indusă, respectiv curent electric indus;
• câmpul magnetic și fluxul magnetic produse de curentul indus e numesc câmp magnetic indus, respectiv flux magnetic indus.

Regula lui Lenz afirmă că tensiunea electromotoare indusă și curentul electric indus au un astfel de sens încât fluxul magnetic indus se opune variației fluxului magnetic inductor. Mai simplu ”efectul se opune cauzei”.

Legea Faraday

Legea Faraday sau legea inducției electromagnetice descrie matematic fenomenul de inducție electromagnatică.

$e=-\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}$

Într-un circuit electric închis tensiunea electromotoare indusă este egală cu viteza de variație a fluxului magnetic prin acel circuit luată cu semn schimbat.

Dacă ne referim la un conductor de lungime l, ce se deplasează printr-un câmp magnetic cu viteza v, atunci tensiunea electromotoare indusă la capetele sale este de scrisă de relația:

$e=Blv\sin \left(\alpha \right)$

unde unghiul α reprezintă unghiul dintre liniile de câmp magnetic și vectorul viteză al conductorului.

Autoinducția

Autoinducția este fenomenul de inducție electromagneitcă printr-un circuit electric închis, determinată de variația curentului electric propriu.

Deoarece câmpul magnetic produs de curentul electric propriu este proporțional cu intensitatea curentului electric, atunci și fluxul magnetic propriu va fi proporțional cu intensitatea curentului electric propriu:

$\Phi \left(t\right)=L·i\left(t\right)$

Constanta de proporționalitate L se numește inductanță și depinde de geometria circuitului și proprietățile magnetice ale mediului în care se află acesta. În SI inducatanța se măsoară în Henry (H).

Legea autoinducției are forma:

$e=-L\frac{\Delta i}{\Delta t}$

Inducatanța unui solenoid este descrisă de relația:

$L=\frac{\mu N^{2}S}{l}$

unde μ este permeabilitatea magnetică a mediului, N este numărul de spire al solenoidului, S este aria secțiunii transversale a unei spire, iar l este lungimea solenoidului.

Energia câmpului magnetic

Faptul că un conductor parcurs de curent produce câmp magnetic presupune faptul că acesta înmagazinează energie magnetică.

O bobină cu inductanța L străbătută de un curent electric de intensitate I înmagazinează o energie electrică descrisă de relația:

$W_m=\frac{1}{2}L{I}^2$

Generarea tensiunii electrice altenative

Cea mai utilizată metodă folosită pentru generarea tensiunii electirce alternative este rotirea unei spire conductoare în jurul unei axe perpendiculare pe liniile unui câmp magneitc constant.

Prin spiră vom avea un flux magnetic variabil în timp dependent de viteza unghiulară de rotație a spirei:

$\Phi \left(t\right)=BS\cos \left(\omega t\right)$

unde B este inducția magnetică, S este aria spirei, ω este viteza unghiulară de rotație a spirei, iar t este timpul.

Folosind legea inducției elctromagnatice rezultă că tensiunea electromotoare indusă în spiră are forma:

$e=BS\omega \sin \left(\omega t\right)$

Dacă se rotesc N spire, atunci:

$e=NBS\omega \sin \left(\omega t\right)$