Inducția electromagnetică este fenomenul prin care un câmp magnetic variabil produce tensiune electrică într-un conductor. Dacă miști un magnet în apropierea unei bobine de sârmă, prin bobină apare un curent, fără nicio baterie. Aceasta este descoperirea care a făcut posibilă producerea electricității la scară mare și, în ultimă instanță, lumina din case.
Fizicianul englez Michael Faraday a demonstrat fenomenul prin experimente simple, cu bobine și magneți, într-o epocă în care electricitatea venea doar din baterii chimice. De atunci, ideea lui se află în spatele centralelor hidro, termice și eoliene, al dinamului de bicicletă și al încărcătorului de la periuța electrică. Mai jos vezi ce se întâmplă și de ce.
Ce este inducția electromagnetică?
Inducția electromagnetică este generarea unei tensiuni electromotoare într-un circuit atunci când fluxul magnetic care trece prin el se modifică în timp. Dacă circuitul este închis, tensiunea produce un curent indus.
Fluxul magnetic arată cât din câmpul magnetic străbate suprafața unei spire. Poți să-l modifici în mai multe feluri: miști magnetul, miști bobina, rotești bobina în câmp sau schimbi intensitatea câmpului. Dacă nimic nu variază, oricât de puternic ar fi magnetul, nu apare tensiune.
Un experiment pe care îl poți vedea în orice laborator școlar: bagi un magnet într-o bobină legată la un galvanometru sensibil, iar acul sare. Scoți magnetul, acul sare în sens opus. Magnetul stă nemișcat în bobină, acul revine la zero. Tensiunea apare doar cât timp se petrece variația.
Ce spune legea lui Faraday și regula lui Lenz?
Legea lui Faraday spune că tensiunea indusă este proporțională cu viteza de variație a fluxului magnetic și cu numărul de spire, iar regula lui Lenz stabilește sensul curentului indus. Curentul indus are mereu un sens care se opune cauzei care l-a produs.
Mai simplu: o bobină mai deasă, un magnet mai puternic sau o mișcare mai rapidă dau tensiune mai mare. Regula lui Lenz explică de ce simți o rezistență când miști un magnet puternic printr-un tub de cupru: curentul indus creează un câmp magnetic care se opune mișcării. Este un caz particular de conservare a energiei: efortul mecanic pe care îl faci se transformă în energie electrică.
Dacă lași un magnet puternic să cadă printr-un tub de cupru sau aluminiu, el cade vizibil mai încet decât o piesă de metal obișnuită. Tubul nu este magnetic; curenții induși în pereții lui încetinesc căderea.
Cum funcționează un generator electric?
Un generator transformă energia mecanică în energie electrică rotind o bobină într-un câmp magnetic sau un magnet în fața unor bobine. Rotația face ca fluxul magnetic să varieze continuu, deci tensiunea indusă se schimbă periodic.
Rezultatul este curent alternativ, a cărui tensiune urcă, coboară, își schimbă sensul și se repetă. În rețeaua din România, această alternanță se petrece de cincizeci de ori pe secundă, adică cincizeci de hertzi, aceeași unitate pe care o întâlnești în articolul despre oscilații. Ce diferă de la o centrală la alta este mașina care rotește generatorul:
- hidrocentrala folosește apa care cade și învârte o turbină;
- centrala termică folosește abur obținut prin arderea combustibilului;
- turbina eoliană folosește direct forța vântului;
- dinamul de bicicletă folosește roata care învârte un mic magnet.
Principiul este același, indiferent dacă vorbim de becul electric sau de un motor modern: o sursă de mișcare, un câmp magnetic și bobine. Fără inducție, energia apei sau a vântului nu s-ar putea transforma ușor în electricitate.
Cum funcționează un transformator?
Transformatorul folosește două bobine înfășurate pe același miez de fier și schimbă valoarea unei tensiuni alternative fără să schimbe frecvența. Curentul alternativ din prima bobină produce un câmp magnetic variabil, iar acesta induce tensiune în a doua.
Raportul tensiunilor este egal cu raportul numărului de spire. O bobină secundară cu mai puține spire dă o tensiune mai mică, una cu mai multe dă o tensiune mai mare. Puterea rămâne aproximativ aceeași, deci dacă tensiunea crește, curentul scade.
| Tip de transformator | Efect | Unde îl găsești |
|---|---|---|
| ridicător | crește tensiunea | lângă centrale |
| coborâtor | scade tensiunea | stații din oraș, adaptoare |
| de separare | păstrează valoarea, izolează | aparate sensibile |
Energia electrică se transportă pe distanțe mari la tensiune foarte mare, pentru că atunci curentul este mic și pierderile prin încălzirea firelor scad. Aproape de consumator, alte transformatoare coboară tensiunea la valoarea din priză. Încărcătorul telefonului conține, de asemenea, un circuit de acest fel.
Ce legătură are inducția cu magnetismul?
Inducția arată că electricitatea și magnetismul sunt două fețe ale aceluiași fenomen: un câmp magnetic variabil produce câmp electric, iar un curent produce câmp magnetic. Această legătură este baza electromagnetismului.
Detaliile despre magneți, poli și busolă le găsești în articolul despre magnetism, iar mărimile electrice folosite mai sus, tensiune și curent, sunt prezentate în articolul despre electricitate. Pentru panorama întregii discipline vezi fizica pe înțeles. Împreună, ele duc la una dintre marile sinteze ale fizicii: lumina este o undă electromagnetică, formată dintr-un câmp electric și unul magnetic care se susțin reciproc în timp ce se propagă.
Atenție: transformatoarele și instalațiile de înaltă tensiune sunt periculoase. Nu te apropia de stații electrice și nu încerca să deschizi un adaptor conectat la rețea; lucrările de acest tip sunt făcute doar de personal autorizat.
Unde mai întâlnim inducția în viața de zi cu zi?
Inducția se află în mai multe aparate casnice decât crezi, de la plita cu inducție la încărcarea fără fir și la cititoarele de carduri. De fiecare dată, un câmp magnetic variabil produce curent într-un obiect apropiat.
- Plita cu inducție creează un câmp magnetic variabil care induce curenți în fundul metalic al oalei și îl încălzește direct; plita în sine rămâne relativ rece.
- Încărcătorul fără fir are o bobină în bază și una în telefon.
- Microfonul dinamic are o membrană care mișcă o bobină lângă un magnet.
- Frânele electromagnetice de la unele trenuri sau atracții de parc folosesc curenți induși pentru a încetini.
Întrebări frecvente
De ce nu apare curent dacă magnetul stă nemișcat într-o bobină?
Inducția cere variația fluxului magnetic. Un câmp constant, care nu se schimbă în timp, nu produce tensiune indusă.
Este curentul indus același cu cel al unei baterii?
Efectul este tot curent electric, dar curentul indus de un generator este de obicei alternativ, în timp ce bateria dă curent continuu. Ambele pot alimenta aparate, cu adaptoarele potrivite.
De ce se transportă electricitatea la tensiune înaltă?
Pentru aceeași putere, o tensiune mai mare înseamnă curent mai mic, iar pierderile prin încălzirea cablurilor depind de pătratul curentului. Transformatoarele ridică tensiunea la plecare și o coboară la sosire.
Poate un telefon să se încarce fără fir fără pierderi?
Nu complet. Încărcarea prin inducție pierde o parte din energie sub formă de căldură, mai ales dacă bobinele nu sunt bine aliniate.
Cine a descoperit inducția electromagnetică?
Michael Faraday a demonstrat-o experimental, iar în aceeași perioadă și Joseph Henry a observat fenomene asemănătoare. Legile au fost descrise ulterior matematic de James Clerk Maxwell.
