תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית היא תופעה המורכבת מהתרחשות של כוח או מתח אלקטרו-מוטורי בגוף הנמצא בשדה מגנטי המשתנה ללא הרף. כוח אלקטרו-מוטיבי כתוצאה מאינדוקציה אלקטרומגנטית נוצר גם אם גוף נע בשדה מגנטי סטטי ולא אחיד, או מסתובב בשדה מגנטי כך שהקווים שלו חותכים לולאה סגורה משתנים.
זרם חשמלי מושרה
תחת המושג "אינדוקציה" הכוונה להופעתו של תהליך כתוצאה מהשפעה של תהליך אחר. לדוגמה, ניתן להשרות זרם חשמלי, כלומר, הוא יכול להופיע כתוצאה מחשיפת מוליך לשדה מגנטי בצורה מיוחדת. זרם חשמלי כזה נקרא מושרה. התנאים להיווצרות זרם חשמלי כתוצאה מתופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית נדונים בהמשך המאמר.
המושג של שדה מגנטי
לפניכדי להתחיל ללמוד את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, יש צורך להבין מהו שדה מגנטי. במילים פשוטות, שדה מגנטי הוא אזור בחלל שבו חומר מגנטי מציג את השפעותיו ותכונותיו המגנטיות. ניתן לתאר אזור זה של החלל באמצעות קווים הנקראים קווי שדה מגנטי. מספר הקווים הללו מייצג גודל פיזיקלי הנקרא שטף מגנטי. קווי השדה המגנטי סגורים, הם מתחילים בקוטב הצפוני של המגנט ומסתיימים בדרום.
לשדה מגנטי יש את היכולת לפעול על כל חומר בעל תכונות מגנטיות, כגון מוליכי ברזל של זרם חשמלי. שדה זה מאופיין באינדוקציה מגנטית, המסומנת B ונמדדת בטסלות (T). אינדוקציה מגנטית של 1 T היא שדה מגנטי חזק מאוד הפועל בכוח של 1 ניוטון על מטען נקודתי של 1 קולומב, שטס בניצב לקווי השדה המגנטי במהירות של 1 m/s, כלומר 1 T.=1 Ns / (mCl).
מי גילה את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית?
אינדוקציה אלקטרומגנטית, שעל העיקרון שלה מבוססים מכשירים מודרניים רבים, התגלתה בתחילת שנות ה-30 של המאה ה-19. גילוי תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית מיוחס בדרך כלל למייקל פאראדיי (תאריך הגילוי - 29 באוגוסט 1831). המדען התבסס על תוצאות הניסויים של הפיזיקאי והכימאי הדני הנס אורסטד, שגילה שמוליך שדרכו זורם זרם חשמלי יוצרשדה מגנטי סביב עצמו, כלומר, הוא מתחיל להראות תכונות מגנטיות.
פאראדיי, בתורו, גילה את ההיפך מהתופעה שגילה אורסטד. הוא שם לב ששדה מגנטי משתנה, שניתן ליצור על ידי שינוי הפרמטרים של הזרם החשמלי במוליך, מוביל להופעת הפרש פוטנציאלים בקצוות של כל מוליך זרם. אם קצוות אלה מחוברים, למשל, דרך מנורה חשמלית, אז זרם חשמלי יזרום במעגל כזה.
כתוצאה מכך גילה פאראדיי תהליך פיזיקלי, שכתוצאה ממנו מופיע זרם חשמלי במוליך עקב שינוי בשדה המגנטי, שהוא תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. יחד עם זאת, להיווצרות זרם מושרה, לא משנה מה זז: השדה המגנטי או המוליך עצמו. ניתן להראות זאת בקלות על ידי עריכת ניסוי מתאים על תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית. אז, לאחר שהצבנו את המגנט בתוך ספירלת המתכת, אנו מתחילים להזיז אותו. אם תחבר את קצוות הספירלה דרך אינדיקטור כלשהו של זרם חשמלי למעגל, אתה יכול לראות את המראה של זרם. כעת כדאי להשאיר את המגנט לבד ולהזיז את הספירלה למעלה ולמטה ביחס למגנט. המחוון יראה גם את קיומו של זרם במעגל.
ניסוי פאראדיי
הניסויים של פאראדיי כללו עבודה עם מנצח ומגנט קבוע. מייקל פאראדיי גילה לראשונה שכאשר מוליך נע בתוך שדה מגנטי, נוצר הבדל פוטנציאלי בקצותיו. המוליך הנע מתחיל לחצות את קווי השדה המגנטי, מה שמדמהההשפעה של שינוי שדה זה.
המדען גילה שהסימנים החיוביים והשליליים של ההבדל הפוטנציאלי שנוצר תלויים בכיוון שאליו נע המוליך. לדוגמה, אם המוליך מורם בשדה מגנטי, אז להבדל הפוטנציאל שנוצר יהיה קוטביות +-, אך אם מוליך זה יורדים, אז כבר נקבל קוטביות -+. שינויים אלו במזל הפוטנציאלים, שההבדל ביניהם נקרא כוח אלקטרו-מוטיבי (EMF), מביאים להופעת זרם חילופין במעגל סגור, כלומר זרם המשנה כל הזמן את כיוונו להפך.
תכונות של אינדוקציה אלקטרומגנטית שהתגלו על ידי Faraday
כדי לדעת מי גילה את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית ומדוע יש זרם מושרה, נסביר כמה מהמאפיינים של תופעה זו. לכן, ככל שתזיז את המוליך מהר יותר בשדה מגנטי, כך הערך של הזרם המושרה במעגל יהיה גדול יותר. מאפיין נוסף של התופעה הוא כדלקמן: ככל שהאינדוקציה המגנטית של השדה גדולה יותר, כלומר ככל ששדה זה חזק יותר, כך גדל הבדל הפוטנציאלי שהוא יכול ליצור בעת הזזת המוליך בשדה. אם המוליך נמצא במנוחה בשדה מגנטי, לא נוצר בו EMF, שכן אין שינוי בקווי האינדוקציה המגנטית החוצים את המוליך.
כיוון זרם חשמלי וכלל יד שמאל
כדי לקבוע את הכיוון במוליך של זרם חשמלי שנוצר כתוצאה מתופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, ניתןהשתמש במה שנקרא כלל יד שמאל. ניתן לנסח זאת כך: אם מניחים את יד שמאל כך שקווי האינדוקציה המגנטית, שמתחילים בקוטב הצפוני של המגנט, נכנסים לכף היד, והאגודל הבולט מכוון לכיוון התנועה של המוליך ב השדה של המגנט, ואז ארבע האצבעות הנותרות של יד שמאל יציינו את כיוון הזרם המושרה בתנועה במוליך.
יש גרסה נוספת של כלל זה, היא כדלקמן: אם האצבע המורה של יד שמאל מכוונת לאורך קווי האינדוקציה המגנטית, והאגודל הבולט מכוון לכיוון המוליך, אזי האצבע האמצעית הפונה 90 מעלות לכף היד תציין את כיוון הזרם המופיע במוליך.
תופעת האינדוקציה העצמית
הנס כריסטיאן אורסטד גילה את קיומו של שדה מגנטי סביב מוליך או סליל עם זרם. המדען מצא גם שהמאפיינים של תחום זה קשורים ישירות לעוצמת הזרם ולכיוון שלו. אם הזרם בסליל או במוליך משתנה, אז הוא יפיק שדה מגנטי שלא יהיה נייח, כלומר ישתנה. בתורו, שדה חילופין זה יוביל להופעת זרם מושרה (תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית). תנועת זרם האינדוקציה תהיה תמיד הפוכה לזרם החילופין שמסתובב במוליך, כלומר, היא תתנגד לכל שינוי בכיוון הזרם במוליך או בסליל. תהליך זה נקרא אינדוקציה עצמית. ההבדל החשמלי שנוצרפוטנציאלים נקרא EMF של אינדוקציה עצמית.
שימו לב שתופעת ההשראה העצמית מתרחשת לא רק כאשר כיוון הזרם משתנה, אלא גם כאשר הוא משתנה, למשל, כאשר הוא עולה עקב ירידה בהתנגדות במעגל.
לתיאור הפיזיקלי של ההתנגדות המופעלת על ידי כל שינוי בזרם במעגל עקב השראות עצמית, הוצג מושג השראות, הנמדד בהנרי (לכבודו של הפיזיקאי האמריקאי ג'וזף הנרי). הנרי אחד הוא השראות כזו שעבורה, כאשר הזרם משתנה ב-1 אמפר בשנייה, נוצר EMF בתהליך של אינדוקציה עצמית, שווה ל-1 וולט.
זרם חילופין
כאשר משרן מתחיל להסתובב בשדה מגנטי, כתוצאה מתופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, הוא יוצר זרם מושרה. זרם חשמלי זה משתנה, כלומר הוא משנה כיוון באופן שיטתי.
זרם חילופין נפוץ יותר מזרם ישר. אז, מכשירים רבים הפועלים מרשת החשמל המרכזית משתמשים בסוג זה של זרם. קל יותר להשרות ולהעביר זרם חילופין מאשר זרם ישר. ככלל, התדירות של זרם חילופין ביתי הוא 50-60 הרץ, כלומר תוך שנייה אחת הכיוון שלו משתנה 50-60 פעמים.
הייצוג הגיאומטרי של זרם חילופין הוא עקומה סינוסואידית המתארת את התלות של המתח בזמן. התקופה המלאה של העקומה הסינוסואידית עבור זרם ביתי היא כ-20 מילישניות. על פי האפקט התרמי, זרם חילופין דומה לזרםDC, שהמתח שלו הוא Umax/√2, כאשר Umax הוא המתח המרבי בעקומה הסינוסואידית של AC.
השימוש באינדוקציה אלקטרומגנטית בטכנולוגיה
גילוי תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית הוליד פריחה של ממש בפיתוח הטכנולוגיה. לפני הגילוי הזה, בני אדם הצליחו לייצר חשמל רק בכמות מוגבלת באמצעות סוללות חשמליות.
כיום, תופעה פיזיקלית זו משמשת בשנאים חשמליים, בתנורי חימום הממירים זרם מושר לחום, ובמנועים חשמליים ובגנרטורים של מכוניות.
