Nauka o elektromagnetizmu jedna je od najvažnijih oblasti fizike. Ona ima veliki značaj kako za praktičnu primenu u industriji, tako i za naše razumevanje fizičke strukture sveta koji nas okružuje. Elektromagnetizam je prisutan u velikom broju pojava i uređaja koje svakodnevno koristimo, iako često ne razmišljamo o principima koji se nalaze u njihovoj osnovi.
Možda toga niste ni svesni, ali bez elektromagnetizma ne bismo mogli da proizvodimo i prenosimo električnu energiju na način na koji to danas radimo. Ne bismo mogli da transportujemo ogromne količine električne energije kroz elektroenergetsku mrežu i dovedemo je do naših domova. Razmislite o tome sledeći put kada uključite svetlo, prokuvate vodu u električnom bokalu, koristite računar ili gledate televiziju.
Elektromagnetizam predstavlja povezanost elektriciteta i magnetizma. Ove dve pojave dugo su proučavane odvojeno, sve dok eksperimenti nisu pokazali da su međusobno povezane. Danas znamo da električna struja stvara magnetno polje, ali i da promena magnetnog polja može dovesti do nastanka električne struje.
Upravo ovaj drugi princip predstavlja osnovu elektromagnetne indukcije. Elektromagnetna indukcija je pojava pri kojoj promena magnetnog toka kroz provodnik dovodi do nastanka elektromotorne sile, odnosno indukovanog napona.
Šta je elektromagnetizam?
Da bismo razumeli elektromagnetnu indukciju, potrebno je najpre da se podsetimo osnovnih pojmova magnetizma i električne struje.
Šta je magnetizam?
Magnetizam je fizička pojava povezana sa magnetnim silama. Neki materijali imaju magnetna svojstva, dok drugi nemaju. Magnet može da privlači određene materijale, poput gvožđa, a oko njega postoji magnetno polje.
Ono se često prikazuje pomoću linija magnetnog polja, koje pokazuju smer delovanja magnetne sile. Što su linije polja gušće, to je magnetno polje jače.
Materijali poput gvožđa i nikla mogu pokazivati izražena magnetna svojstva. Oni pripadaju feromagnetnim materijalima. Kod ovih materijala ponašanje velikog broja atoma i njihovih magnetnih momenata omogućava nastanak snažnih magnetnih svojstava.
Magneti mogu biti stalni ili privremeni. Stalni magneti zadržavaju svoja magnetna svojstva, dok se kod elektromagneta magnetno polje može kontrolisati uključivanjem i isključivanjem električne struje.
Šta je elektromagnet?
Elektromagnet je magnet čije magnetno polje nastaje prolaskom električne struje. Kada električna struja prolazi kroz provodnik, oko njega se stvara magnetno polje. Ovaj efekat može se značajno pojačati ako se provodnik oblikuje u zavojnicu i ako se unutar nje postavi odgovarajuće metalno jezgro.
Elektromagnet se često sastoji od namotaja žice oko gvozdenog jezgra. Kada kroz žicu prolazi struja, nastaje magnetno polje koje je posebno izraženo oko jezgra. Kada se struja prekine, magnetno dejstvo elektromagneta se smanjuje ili prestaje.
Ovakva mogućnost kontrole magnetnog polja veoma je korisna. Elektromagneti se koriste u različitim uređajima, od električnih motora i releja do industrijskih mašina.
Veza između elektriciteta i magnetizma posebno je važna zbog elektromagnetne indukcije. Zahvaljujući ovoj pojavi moguće je mehaničku energiju pretvarati u električnu energiju.
Kratka istorija elektromagnetne indukcije
Razvoj razumevanja elektromagnetizma odvijao se tokom 19. veka. Naučnici su postepeno otkrivali da električne i magnetne pojave nisu nezavisne.
Eksperimenti su pokazali da električna struja može da stvori magnetno polje. Otkriće elektromagnetne indukcije predstavljalo je drugi veliki korak, jer je pokazalo da promenljivo magnetno polje može da izazove električni efekat.
Jedan od najvažnijih naučnika u ovoj oblasti bio je Majkl Faradej. On je 1831. godine izveo eksperimente kojima je pokazao princip elektromagnetne indukcije.
Majkl Faradej i njegovo otkriće
Majkl Faradej postao je jedan od najuticajnijih naučnika u istoriji fizike. Njegova istraživanja elektriciteta i magnetizma imala su veliki uticaj na razvoj moderne elektrotehnike.
U jednom od svojih najpoznatijih eksperimenata Faradej je koristio gvozdeni prsten oko kojeg je namotao dve odvojene zavojnice. Jedna zavojnica bila je povezana sa baterijom, dok je druga bila povezana sa galvanometrom, instrumentom koji može da registruje električnu struju.
Kada bi Faradej uključio struju u prvoj zavojnici, galvanometar povezan sa drugom zavojnicom registrovao bi kratkotrajan električni efekat. Slično se dešavalo i kada bi struju isključio. Međutim, dok je struja u prvoj zavojnici bila konstantna, u drugoj zavojnici nije postojala trajna indukovana struja.
Ovo je bio ključni rezultat eksperimenta. Električni efekat nije nastajao samo zato što je postojalo magnetno polje. Bilo je potrebno da se magnetno polje menja.
Faradej je ovaj princip dodatno istraživao pomeranjem magneta u odnosu na zavojnicu. Kada bi magnet približavao zavojnici ili ga udaljavao od nje, galvanometar bi pokazivao da je došlo do pojave električne struje. Kada bi magnet mirovao, galvanometar više nije registrovao indukovanu struju.
Ovi eksperimenti doveli su do zaključka da promena magnetnog toka kroz provodnik izaziva nastanak elektromotorne sile.
Faradejev zakon elektromagnetne indukcije
Faradej je eksperimentalno pokazao da postoji direktna veza između promene magnetnog toka i indukovane elektromotorne sile. Kasnije je ova veza dobila precizan matematički oblik.
ε = − dΦ/dt
U ovoj formuli ε predstavlja indukovanu elektromotornu silu, Φ predstavlja magnetni fluks, odnosno magnetni tok, dok t označava vreme.
Formula pokazuje da je veličina indukovane elektromotorne sile povezana sa brzinom promene magnetnog toka. Što se magnetni tok brže menja, to će indukovana elektromotorna sila biti veća.
Znak minus u formuli ima posebno značenje i povezan je sa Lencovim zakonom. On pokazuje da se smer indukovane struje suprotstavlja promeni magnetnog toka koja je izazvala njeno nastajanje.
Magnetni fluks zavisi od jačine magnetnog polja, površine kroz koju polje prolazi i ugla između magnetnog polja i površine. Zbog toga do indukcije može doći na više načina: promenom jačine magnetnog polja, promenom površine kroz koju prolazi magnetno polje ili promenom položaja provodnika u odnosu na magnetno polje.
Kako funkcioniše elektromagnetna indukcija?
Jednostavan primer elektromagnetne indukcije možemo zamisliti pomoću magneta i zavojnice.
Ako magnet približavamo zavojnici, magnetno polje kroz zavojnicu se menja. Zbog promene magnetnog toka u zavojnici se javlja indukovana elektromotorna sila, a ako je strujno kolo zatvoreno, kroz njega će poteći indukovana struja.
Kada magnet udaljavamo od zavojnice, takođe dolazi do promene magnetnog toka. Međutim, smer promene je suprotan, pa se menja i smer indukovane struje.
Važnu ulogu ima brzina kretanja. Ako magnet pomeramo brzo, promena magnetnog toka je veća u jedinici vremena, pa će indukovana elektromotorna sila biti veća. Ako magnet pomeramo veoma sporo, indukovani napon biće manji.
Do sličnog efekta može doći i kada magnet miruje, a pomera se zavojnica. Nije neophodno da se magnet fizički pomera. Važno je da se magnetni tok kroz provodnik menja.
Ovaj princip je od ogromnog značaja jer omogućava pretvaranje mehaničke energije u električnu. Upravo na tome se zasniva rad električnih generatora.
Gde se koristi elektromagnetna indukcija?
Elektromagnetna indukcija ima veoma široku primenu u savremenoj tehnologiji. Koristi se u elektranama, generatorima, transformatorima, alternatorima, indukcionim uređajima i mnogim drugim sistemima.
Električni generatori
Električni generator je uređaj koji mehaničku energiju pretvara u električnu energiju. Njegov rad zasniva se na elektromagnetnoj indukciji.
U generatoru se provodnik, najčešće zavojnica, kreće u magnetnom polju ili se magnetno polje kreće u odnosu na provodnik. Tokom ovog kretanja menja se magnetni tok kroz zavojnicu. Kao posledica promene magnetnog toka nastaje indukovana elektromotorna sila.
U elektranama se generatori pokreću različitim izvorima energije. Turbine mogu pokretati voda, para, vetar ili drugi izvori energije. Turbina okreće generator, a generator pomoću elektromagnetne indukcije proizvodi električnu energiju.
Automobili takođe koriste elektromagnetnu indukciju. Alternator proizvodi električnu energiju potrebnu za rad električnih sistema automobila i održavanje napunjenosti akumulatora.
Naizmenična i jednosmerna struja
Kod naizmenične struje smer električne struje periodično se menja. Zbog toga se u generatoru dobija struja čiji se smer tokom rotacije zavojnice stalno menja.
Kada električna energija stigne do područja u kojima se koristi, transformatori mogu da smanje napon na vrednosti pogodnije za potrošače i električne uređaje.
Transformatori i elektromagnetna indukcija
Transformatori su još jedan veoma važan primer primene elektromagnetne indukcije. Oni omogućavaju povećavanje ili smanjivanje naizmeničnog napona.
Transformator se sastoji od najmanje dve zavojnice koje su povezane zajedničkim magnetnim poljem, najčešće preko gvozdenog jezgra. Kada na primarnu zavojnicu dovedemo naizmeničnu struju, ona stvara promenljivo magnetno polje. To promenljivo magnetno polje prolazi kroz sekundarnu zavojnicu i u njoj izaziva nastanak indukovane elektromotorne sile.
Elektromagnetna indukcija predstavlja jednu od najvažnijih pojava u fizici i elektrotehnici. Otkrića Majkla Faradeja pokazala su da promena magnetnog toka kroz provodnik može izazvati nastanak elektromotorne sile i električne struje.
Faradejev zakon omogućava da ovu pojavu opišemo matematički i razumemo od čega zavisi veličina indukovanog napona. Što je promena magnetnog toka brža, veća je indukovana elektromotorna sila.
Princip elektromagnetne indukcije danas je neizostavan deo savremene tehnologije. Bez njega ne bismo mogli da zamislimo način na koji se proizvodi i prenosi veliki deo električne energije koju svakodnevno koristimo.
Od velikih generatora u elektranama, preko alternatora u automobilima, do transformatora u elektroenergetskoj mreži, Faradejevo otkriće ima direktnu primenu u svakodnevnom životu. Zbog toga elektromagnetna indukcija nije samo važna tema iz fizike, već i jedan od ključnih principa na kojima počiva savremena elektrotehnika.
Sažmi uz pomoć AI
Da li ti se dopao članak? Zapiši to!
Loading...
