☰ 3. razred - Fizika

3. razred - Fizika

2. Elektromagnetna indukcija

Elektromagnetna indukcija

Nakon saznanja da u prostoru oko provodnika sa strujom postoji magnetno polje, mnogi istraživači uložili su velike napore da otkriju obrnut efekat: nastanak električne struje posredstvom magnetnog polja. Jedan od najupornijih bio je engleski fizičar Majkl Faradej koji je nakon 10 godina rada, došao do uspeha tek 1831.

Michael Faraday

Majkl Faradej (Njuington Bats, 22. septembar 1791 — London, 25. avgust 1867) bio je engleski eksperimentalni i optički fizičar i hemičar, član Kraljevskog društva. Značajan po mnogim naučnim otkrićima, prvenstveno u oblasti elektriciteta i magnetizma. Od 1903. godine eponim je Faradejevog društva (od 1980. spojeno u Kraljevsko hemijsko društvo).

Život Majkla Faradeja vrlo je zanimljiv i bogat doživljajima. Kao mlad knjigovezački radnik zainteresovao se za fiziku i odlučio da se bavi izučavanjem prirodnih pojava. Najpre je radio u laboratoriji tada čuvenog engleskog hemičara Hamfrija Dejvija. Daroviti mladić bio je vrlo radoznao i dalje se sam usavršavao, neprekidno vršeći najraznovrsnije fizičke i hemijske oglede. Otkrio je dva osnovna zakona elektrolize, tada je radio u Kiculovoj laboratoriji. Ovi zakoni su postali osnov elektrohemije i učenja o elektricitetu, a poznati su kao Faradejevi zakoni elektrolize. Ovaj marljivi naučnik prvi je otkrio i vezu između magnetskog polja i svetlosti. Njegovo najznačajnije otkriće je poznati Faradejev zakon elektromagnetne indukcije koji je kasnije uvršćen i među Maksvelove osnovne jednačine elektrodinamike. Po Faradeju je dobila ime jedinica za merenje električnog kapaciteta - farad (F), kao i rotacija ravni polarizacije svetlosti u magnetskom polju - Faradejev efekat.

Detinjstvo i početak karijere

Majkl Faradej je rođen u malom mestu Njuington Bats, danas južni London. Živeo je u siromašnoj porodici, pa se morao sam obrazovati. Sa četrnaest godina postao je zamenik knjigovođe i prodavac. Za sedam godina rada pročitao je mnogo knjiga i razvio interes za nauku, a posebno za elektricitet.

Sa 19 godina Faradej je studirao kod priznatih hemičara ser Hamfrija Dejvija, predsednika Kraljevskog društva i Džona Tejtuma, osnivača Građanskog filozofskog društva. Nakon što je Faradej poslao Dejviju knjigu od 300 strana sa beleškama sa predavanja, ovaj mu je odgovorio da će ga imati na umu, ali da se još uvek drži knjigovodstva. Nakon što je Dejvi oštetio vid pri eksperimentu sa azot-trihloridom, postavio je Faradeja za sekretara. Kad je Džon Pejn iz Kraljevskog društva dobio otkaz, Dejvi je predložio Faradeja kao laboratorijskog asistenta.

Naučna karijera

Najveći i najpoznatiji Faradejevi radovi bili su vezani za elektricitet. Otkriće danskog hemičara Hansa Kristijana Ersteda da magnetna igla skreće ako se nađe blizu provodnika kroz koji protiče električna struja, potaknulo je Dejvija i Volastona da 1821. pomoću Erstedovog elektromagnetizma pokušaju konstruisati elektromotor, ali u tome nisu uspeli. Faradej je, nakon diskusije sa njima, počeo raditi na uređaju koji bi radio na principu elektromagnetske rotacije: ako se na polovinu magneta (sličnog potkovici) postavi pljosnata metalna čaša napunjena živom, a u čašu uvuče sa oba kraja bakarna žica, čija se sredina oko jednog šiljka oslanja na pol magneta i kada se kroz živu pusti električna struja iz električne baterije, ona će, prolazeći kroz žicu, prisiliti žicu da se okreće oko magneta. Ako se taj pribor postavi na drugi pol magneta, žica će početi da se okreće na suprotnu stranu.

Taj izum poznat je kao homopolarni motor. Ovi su eksperimenti i izumi postavili osnove moderne elektromagnetske tehnologije. No onda je učinio grešku. Svoj eksperiment je objavio pre pokazivanja Volastonu i Dejviju, što je dovelo do kontroverze i bilo je uzrok njegovog povlačenja s područja elektromagnetizma na nekoliko godina.

Nakon deset godina, 1831. započeo je seriju eksperimenata u kojima je otkrio elektromagnetnu indukciju. Moguće je da je Džozef Henri otkrio samoindukciju nekoliko meseci pre Faradeja, ali su oba otkrića zasenjena otkrićem Italijana Frančeska Zantedekija. On je otkrio da ako provuče magnet kroz krug od žice da će se magnet zadržati sredini kruga.

Njegovi esperimenti su pokazali su da promenljivo magnetsko polje indukuje (uzrokuje) električnu struju. Ova je teorija matematički nazvana Faradejev zakon, a kasnije je postala jedna od četiri Maksvelove jednačine.

Faradej je to iskoristirao da konstruiše električni dinamo, preteču modernog generatora.

Faradej je tvrdio da se elektromagnetni talasi šire u praznom prostoru oko provodnika, ali taj eksperiment nikad nije dovršio. Njegove kolege naučnici su odbacile takvu ideju, a Faradej nije doživeo da vidi prihvatanje svoje ideje. Faradejev koncept linija fluksa koje izlaze iz naelektrisanih tela i magneta omogućio je način da se zamisli izgled električnih i magnetnih polja. Taj model bio je prekretnica za uspešne konstrukcije elektromehaničkih mašina koje su dominirale u inženjerstvu od 19. veka.

Faradej se bavio i hemijom, a tu je otkrio nove supstance, oksidacione brojeve i način kako gasove pretvoriti u tečnost. Takođe je otkrio zakone elektrolize i uveo pojmove anoda, katoda, elektroda i jon.

Godine 1845. otkrio je ono što danas nazivamo Faradejev efekat i fenomen nazvan dijamagnetizam. Smer polarizacije linearno polarizovanog svetla propušten kroz meterijalnu sredinu može biti rotiran pomoću spoljašnjeg magnetskog polja postavljenog u pravom smeru. U svoju beležnicu je zapisao: "Konačno sam uspeo osvetliti magnetske linije sile i da namagnetišem zrak svetla."

To je dokazalo povezanost između magnetizma i svetlosti.

U radu sa statičkim elektricitetom, Faradej je pokazao da se elektricitet u provodniku pomiče ka spoljašnjosti, odnosno da ne postoji u unutrašnjosti provodnika. To je zato jer se u elektricitet raspoređuje po površini na način koji poništava električno polje u unutrašnjosti. Taj se efekt naziva Faradejev kavez.

Ostalo

Imao je seriju uspešnih predavanja iz hemije i fizike na Royal Institution, nazvana The Chemical History of a Candle. To je bio početak božićnih predavanja omladini koja se i danas održavaju.

Faradej je poznat po izumima i istraživanjima, ali nije bio obrazovan u matematici. No u saradnji sa Maksvelom njegovi su patenti prevedeni u metematički jezik. Poznat je po tome što je odbio titulu ser i predsedništvo u Kraljevskom društvu (predsedavanje britanskom kraljevskom akademijom).

Njegov lik štampan je na novčanici od 20 funti.

Njegov sponzor i učitelj bio je Džon Fuler, osnivač Fulerove profesorske katedre na katedri za hemiju kraljevskog instituta. Faradej je bio prvi i najpoznatiji nosilac te titule koju je dobio doživotno.

Faradej je bio veoma pobožan i bio je član jedne male sekte unutar škotske crkve. Služio je crkvi kao stariji član i držao mise.

Faradej se 1821. oženio Sarom Bernar, ali nisu imali dece. Kako se približavao pedesetoj godini smanjivao je rad i obaveze da bi u jesen 1841. primetio da rapidno gubi pamćenje i od tada njegov rad skoro potpuno prestaje.

Preminuo je u svojoj kući u Hempton Kortu, 25. avgusta 1867. godine.

Izvor: Wikipedia

Ravan navojak površine S povezan u strujno kolo putem galvanometra, nalazi se u blizini stalnog magneta, tako da je ka navojku okrenut severni magnetni pol N kao na slici:

Približavanjem ili udaljavanjem stalnog magneta od zavojka došlo je do skretanja kazaljke galvanometra na jednu ili drugu stranu, tojest kretanje izvora magnetnog polja dovelo je do pojave struje u zavojku.

Da bi videli kako se indukuje ems, posmatrajmo žičanu konturu koja je povezana sa galvanometrom. Kada se magnet pomera ka konturi, igla galvanometra skreće u nekom pravcu, na slici je je prikazano da je skrenula desno.

Kada se magnet pomera tako da se udaljava od konture, igla galvanometra skreće u suprotnom pravcu.

Kada se magnet ne pomera u odnosu na konturu, nema ni skretanja igle galvanometra.

Konačno, ako se magnet ne pomera, ali se kontura pomera u nekom smeru u odnosu na magnet, igla galvanometra će skrenuti na neku stranu. Iz ovih razmatranja se može zaključiti da kontura "zna" da se magnet kreće u odnosu na nju jer oseća promene magnetnog polja. Stoga, postoji neka relacija izmenu struje i promenljivog magnetnog polja.

Ovi rezultati su prilično značajni sa stanovišta činjenice da se u kolu uspostavila struja iako u njemu ne postoji izvor napajanja!!!

Ova struja se naziva indukovana struja i kaže se da je stvorena pomoću indukovane elektromotorne sile.

autor: mr. Jelica Jovanović
izvor: jjelica.wordpress.com

Faradejev eksperiment

Na slici je prikazan Faradejev eksperiment:

primarni namotaj je povezan na bateriju (izvor napajanja) preko prekidača. Namotaj je namotan na prsten, i struja u namotaju stvara magnetno polje kada je prekidač zatvoren. Sekundarni namotaj je takođe namotan na prsten i povezan je sa galvanometrom. U sekundarnom kolu nema izvora napajanja i sekundarni namotaj nije povezan sa primarnim namotajem. Bilo kakva struja koja se detektuje u sekundarnom kolu mora biti indukovana nekim spoljašnjim agensom.

U trenutku kada se prekidač zatvara, igla galvanometra skreće u jednom smeru i onda se vraća na nulu. U trenutku otvaranja prekidača, igla galvanometra skreće u suprotnom smeru, pa se opet vraća na nulu. Konačno, galvanometer pokazuje nulu kada je u primarnom kolu ili stalna struja ili je nema.

Kada je prekidač zatvoren, struja u primarnom kolu stvara magnetno polje u oblasti kola koje prodire do sekundarnog namotaja. Kada se prekidač zatvara, magnetno polje koje je stvoreno strujom u primarnom kolu se menja od nule do neke vrednosti za konačno vreme i to je promenljivo polje koje stvara struju u sekundarnom kolu.

Kao rezultat ovakvih opažanja, Faradej je zaključio da električna struja može biti indukovana u kolu (sekundarni namotaj u ovom slučaju) promenom magnetnog polja. Indukovana struja postoji samo kratko vreme, dok se polje kroz sekundarni namotaj menja. Kad polje postigne stalnu vrednost, nestajestruja u sekundarnom namotaju.

Kaže se da se u sekundarnom kolu stvara indukovana elektromotorna sila pomoću promenljivog magnetnog polja.

Oba eksperimenta imaju jednu zajedničku karakteristiku: u kolu se indukuje elektromotorna sila kada se magnetni fluks kroz kolo menja u vremenu.

Indukovana elektromotorna sila u nekom kolu je direktno proporcionalna brzini promene magnetnog fluksa kroz kolo.

Ovaj iskaz, poznat kao Faradejev zakon indukcije, se može zapisati u sledećem obliku:

Pri čemu je:
ε - indukovana elektromotorna sila
ΔΦ - promena magnetnog fluksa
Δt - promena vremena

autor: mr. Jelica Jovanović
izvor: jjelica.wordpress.com

Elektromagnetna indukcija u nepokretnom provodniku

Indukovana električna struja može da se dobije i kada ne dolazi do pomeranja provodnika. Uzrok nastanka indukovane struje u ovom slučaju je promena fluksa zbog promene jačine jednosmerne struje u kalemu. To može da se postigne stalnim uključivanjem i isključivanjem prekidača, odnosno promenom otpornosti u strujnom kolu 1.

Kada se u kolu 1 uključi prekidač dolazi do uspostavljanja električne struje. Kada se električna struja uspostavlja stvara se magnetno polje koje se u toku vremena povećava. To dovodi do povećanja magnetnog fluksa oko kalema 1. Ista promena fluksa se pojavljuje i oko kalema 2.

Kada se prekidač u kolu 1 otvori, struja kroz kalem opada što utiče na promenu fluksa (smanjuje se). Zbog toga se u kalemu 2 indukuje struja koja ima suprotan smer u poređenju sa prvim slučajem (uključivanje).

Dok kroz kalem 1 protiče struja stalne jačine u kalemu 2 nema struje.

Do sličnih efekata dolazi kada se, pri zatvorenom prekidaču, menja otpronost pomoću klizača.

Kretanjem klizača promenljivog otpornika menja je jačina struje u kolu 1, a time magnetna indukcija. Ovo dovodi do promene magnetnog fluksa[1] u kalemu 1. Ista promena fluksa se pojavljuje i oko kalema 1. Promena magnetnog fluksa dovodi do indukovanja električne struje u kalemu 2. Smer indukovane struje zavisi od toga da li se u kolu 1 povećava ili smanjuje jačina električne struje. Smer indukovane struje registruje se pomoću galvanometra.

Zaključak:

Indukovana električna struja nastaje ili zbog kretanja provodnika u magnetnom polju ili zbog promene magnetnog polja (u tom slučaju provodnik može da bude nepokretan). Električna struja u provodniku uslovljena je postojanjem razlike potencijala odnosno elektromotorne sile. Znači, pri kretanju provodnika u magnetnom polju ili pri promenama magnetnog polja indukuje se elektromotorna sila.

Elektromagnetna indukcija se karakteriše indukovanom elektromotornom silom, a ne jačinom indukovane struje, jer struja zavisi od električne otpornosti provodnika odnosno strujnog kola.

autor: Slavoljub Mitić
izvor: www.fizis.rs

Faradejev zakon

Pri kretanju provodnika u homogenom magnetnom polju u njemu se indukuje elektromotorna sila.

Posmatramo zatvorenu pravougaonu strujnu konturu, čiju jednu stranu predstavlja pokretni metalni provodnik

Metalni provodnik se pomera stalnom brzinom u homogenom magnetnom polju. Zbog pomeranja provodnika menja se površina konture kroz koju prolaze linije magnetnog polja. Za vreme Δt provodnik se pomeri za Δs, pa je brzina provodnika:

Na osnovu čega sledi da je indukovana elektromotorna sila jednaka:

Površina je ΔS = l Δs i sledi da je indukovnana elektromotorna sila jednaka:

Promena magnetnog fluksa je ΔΦ = B ΔS i sledi da je indukovnana elektromotorna sila jednaka:

Prema Lencovom pravilu, indukovana električna struja, odnosno indukovana elektromotorna sila ima takav smer da se svojim magnetnim poljem suprotstavlja pojavi koja je izaziva. Znak elektromotorne sile je suprotan znaku promene fluksa, pa je:

Indukovana elektromotorna sila brojno je jednaka brzini promene magnetnog fluksa, a delovanjem se suprotstavlja uzroku indukcije.

Faradejev zakon u ovom obliku može da se primeni i za zatvorenu strujnu konturu koju čini jedan namotaj. Ako zatvorena strujna kontura ima n namotaja Faradejev zakon može da se napiše u sledećem obliku:

Faradajev zakon je univerzalan i ne zavisi od načina koji su doveli do promene fluksa. Do promene fluksa dolazi zbog promene magnetne indukcije (ΔΦ = ΔB S) ili zbog promene površine ΔΦ = B ΔS. Promena fluksa može da nastane kretanjem magneta ili provodnika sa strujom u odnosu na neku zatvorenu konturu, promenom jačine struje u primarnom kolu, kretanjem zatvorene konture ili promenom oblika te konture u spoljašnjem magnetnom polju.

autor: Slavoljub Mitić
izvor: www.fizis.rs

Lencovo pravilo

Ogled sa aluminijumskim prstenovima:

Koriste se dva prstena, od kojih je jedan otvoren. Kada se u zatvoreni prsten uvlači magnet, prsten se udaljava, a kada se magnet izvlači iz prstena, prsten prati magnet. Otvoreni prsten se ne pomera ni kad se magnet uvlači, ni kada se izvlači.

Zaključak:

Pomeranje prstena nastaje zbog uzajamnog delovanja magneta i prstena, odnosno zbog uzajamnog delovanja njihovih magnetnih polja.

Magnetno polje prstena proizvodi indukovana struja u njemu. Pri povećanju magnetnog fluksa, magnetno polje magneta i magnetno polje prstena imaju suprotne smerove, pa se odbijaju. Pri smanjenju magnetnog fluksa, magnetna polja imaju isti smer, pa se privlače.

To ukazuje da indukovana struja u prstenu u primerima ima suprotne smerove.

Lencovo pravilo:
Indukovana električna struja, odnosno indukovana elektromotorna sila ima takav smer da se svojim magnetnim poljem suprotstavlja pojavi koja je izaziva.

autor: Slavoljub Mitić
izvor: www.fizis.rs

Dodatak

Video u vezi ovog poglavlja

Princip rada generatora jednosmerne struje

Elektromagnetna indukcija i zakon održanja energije

Elektromagnetna indukcija je proces u kome se dobija električna energija na račun neke druge vrste energije, najčešće kinetičke energije provodnika.

Posmatra se provodnik dužine l koji se kreće kroz magnetno polje

Usled tog kretanja menja se magnetni fluks kroz obuhvaćenu površinu, što dovodi do indukovanja elektromotorne sile i nastanka struje u kolu.

Ta indukovana struja ima smer određen Lencovim pravilom, pa se sopstvenim magnetnim poljem suprotstavlja kretanju provodnika

Na strujni provodnik koji se kreće kroz magnetno polje deluje Amperova sila:

Fa = I B l

Amperova sila deluje u pravcu vektora brzine provodnika, ali ima suprotan smer pa se provodnik usporava i na kraju zaustavlja.

Kinetička energija provodnika pretvorena je u električnu energiju; električna struja je tekla od trenutka kada je kolo zatvoreno do trenutka kada se provodnik zaustavio.

Da bi kroz kolo tekla struja stalne jačine potrebno je da se provodnik kreće stalnom brzinom.

To je moguće jedino ako na provodnik deluje neka spoljašnja sila nasuprot Amperovoj sili.

Kada su te sile istog intenziteta (F=F_A) provodnik će se kretati stalnom brzinom i elektromotorna sila (ε) će imati stalnu vrednost pri proticanju struje.

Tada provodnik postaje izvor stalne struje.

Radom spoljašnje sile F nadoknađuje se kinetička energija provodnika, koja se neprekidno pretvara u električnu energiju.

Na ovom principu rade generatori naizmenične struje.

autor: IvanFizičar
izvor: ivanfizicar.wordpress.com

Samoindukcija

U strujno kolo su povezane dve iste sijalice, kalem i promenljivi otpornik. Otpornosti kalema i promenljivog otpornika su iste.

Kada se uključi prekidač obe sijalice će se upaliti, ali neće istovremeno početi da svetle istom jačinom. Sijalica 1 će odmah zasvetliti maksimalnom jačinom, dok će sijalica 2 maksimalnu jačinu dostići nakon nekog vremena. To znači da struja kroz sijalicu 1 ima stalnu jačinu, dok u delu sa sijalicom 2 jačina struje postepeno raste.

Pre uključivanja prekidača kroz kolo ne protiče struja, pa nema ni magnetnog polja. Fluks obuhvaćen kalemom je Φ = 0. Kada se uključi prekidač, kroz kalem počinje da protiče električna struja. Pri povećanju struje povećava se i njeno magnetno polje. Pošto dolazi do promene magnetnog polja u kalemu, u njemu se indukuje struja. Ova indukovana struja teži da poništi promenu fluksa, pa je njen smer suprotan od smera struje koju daje izvor.

Kada električna struja u kolu dostigne stalnu vrednost sijalica 2 će zasvetliti istom jačinom kao i sijalica 1.

Kada se isključi prekidač sijalica 1 se odmah gasi, a sijalica 2 će se gasiti postepeno. Isključivanjem prekidača u kalemu počinje da opada magnetni fluks, što za posledicu ima pojavu indukovane struje. Indukovana struja teži da poništi smanjivanje fluksa. Smer indukovane struje je isti kao što je bio smer struje pre isključivanja prekidača.

Ova pojava se naziva samoindukcija i ona nastaje zbog promene struje u samoj konturi (provodniku). Kada se povećava jačina električne struje, struja samoindukcije ima suprotan smer, a kada se smanjuje jačina struje, struja samoindukcije ima isti smer kao struja koju daje izvor.

Uključivanje

Isključivanje

Samoindukcija je specijalan slučaj elektromagnetne indukcije koja se javlja u istom provodniku u kome već protiče električna struja koja se menja u toku vremena.

Sopstveni magnetni fluks provodnika (Fluks koji obuhvata provodna kontura, a potiče od struje kroz konturu) srazmeran je jačini struje koja protiče kroz njega:

L – koeficijent srazmernosti, koji se naziva koeficijent samoindukcije ili induktivnost.

Promena magnetnog fluksa obuhvaćenog tim provodnikom srazmerna je promeni struje:

Induktivnost (koeficijent samoindukcije) je važna karateristika provodnika. Induktivnost ne zavisi od jačine struje, već zavisi od dimenzija i oblika provodnika i magnetne propustljivosti (permeabilnosti) sredine u kojoj se on nalazi. Za određeni provodnik koeficijent samoindukcije je konstantan.

Elektromotorna sila samoindukcije može da se odredi na osnovu Faradejevog zakona.

Elektromotorna sila samoindukcije srazmerna je koeficijentu samoindukcije i brzini promene struje. Za određeni provodnik elektromotorna sila samoindukcije je srazmerna brzini promene struje.

Jedinica za koeficijent samoindukcije je henri (H).

Provodnik ima koeficijent samoindukcije (induktivnot) 1 henri, ako se u njemu indukuje elektromotorna sila samondukcije od 1 volt pri brzini promene struje od 1 amper u sekundi.

Objašnjenje – smer indukovane struje samoindukcije:

Kada je brzina promene sopstvenog fluksa ΔΦ/Δt > 0, odnosno brzina promene struje kroz strujno kolo ΔI/Δt > 0 (jačina struje se povećava I₂ > I₁), indukovana struja samoindukcije ima smer suprotan smeru struje u kolu (negativna vrednost elektromotorne sile samoindukcije).

Kada je brzina promene sopstvenog fluksa ΔΦ/Δt < 0, odnosno brzina promene struje kroz strujno kolo ΔI/Δt < 0 (jačina struje u kolu opada I₂ < I₁), indukovana struja samoindukcije ima isti smer kao struja u kolu (pozitivna vrednost elektromotorne sile samoindukcije).

Vrednost koeficijenta samoindukcije za pravolinijski provodnik je veoma mala i obično se zanemaruje. Ali ako se od tog provodnika napravi kalem sa gustim navojima i ako kalem ima jezgro od mekog gvožđa, tada koeficijent samoindukcije može da ima veoma veliku vrednost. Te efekti mogu da budu od posebne važnosti (transformator, elektromotor, generator).

Kada se struja u strujnom kolu naglo promeni (primer: uključivanje i isključivanje prekidača) tada zbog samoindukcije nastaje visok napon. Tada pojavu varničenja možemo da primetimo prilikom uključivanja i isključivanja električnih uređaja u domaćinstvu. Zato ne treba isključivati električne uređaje direktno iz utikača dok uređaji rade pod punom snagom. Uređaje prvo treba isključiti i nakon toga izvući utikač iz utičnice.

autor: Slavoljub Mitić
izvor: www.fizis.rs

Uradi sam

Naredni primeri ilustruju praktičnu primenu delova ove oblasti fizike. Pogledati snimke i povezati sa naučenim gradivom:

Najjednostavniji motor

Najjednostavniji generator

Generator i LED dioda