Strumień magnetyczny
Aby móc wyjaśniać zjawiska zachodzące w magnetyzmie i elektromagnetyzmie, wprowadzono pojęcie strumienia magnetycznego. Określa się go, jako liczbę linii sił przecinających dowolną powierzchnię tego pola. Oczywiście, strumień magnetyczny zależy od wielkości powierzchni, jej orientacji i od źródła pola, a im silniejsze jest pole, tym większy będzie strumień przepływający przez tę powierzchnię.
Siła elektromotoryczna indukcji
Niezbędnym warunkiem do powstania prądu indukcyjnego w obwodzie jest zmiana strumienia magnetycznego, przechodzącego przez ten obwód. Według prawa Ohma, w obwodzie zamkniętym może płynąć prąd jedynie wtedy, gdy działa w nim siła elektromotoryczna, zatem prąd indukcyjny świadczy o tym, że w obwodzie zamkniętym, umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym pojawia się właśnie siła elektromotoryczna. Nazwa się ją siłą elektromotoryczną indukcji elektromagnetycznej (SEM).
Od czego zależy SEM w obwodzie?
Dokładne badania prądu indukowanego w obwodach o różnych kształtach i rozmiarach wykazały, że siła elektromotoryczna indukcji elektromagnetycznej w danym obwodzie jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego przez powierzchnię ograniczoną przez ten obwód. Zależność ta nosi nazwę prawa Faradaya. Profesor E. H. Lenz ustalił związek między kierunkiem indukowanego prądu a rodzajem wywołującej go zmiany strumienia magnetycznego. Prawo Lenza mówi, że prąd indukcyjny w obwodzie ma zawsze taki kierunek, że wytworzony przez niego strumień magnetyczny przez powierzchnię ograniczoną przez ten obwód, przeciwdziała zmianom strumienia, które wywołały pojawienie się prądu indukcyjnego. Niemiecki fizyk, H. Helmholtz udowodnił, że podstawowe prawo indukcji elektromagnetycznej wypływa z prawa zachowania energii.
Prądy wirowe
Ciekawym zjawiskiem, związanym z powstawaniem prądu indukcyjnego, są prądy wirowe. Ich wzbudzanie najłatwiej wyjaśnić na przykładzie. Jeśli między biegunami elektromagnesu umieścimy miedzianą tarczę, która może swobodnie wahać się pomiędzy nimi i rozhuśtamy ją, gdy nie płynie prąd, po podłączeniu prądu do elektromagnesu zostanie ona prawie natychmiast zatrzymana (jakby wpadła do lepkiej cieczy). Zjawisko to tłumaczy reguła Lenza. W tarczy miedzianej, gdy przechodzi ona przez silne pole magnetyczne, wzbudzone zostają prądy elektryczne, które tworzą w niej wiele obwodów zamkniętych, dlatego nazywamy je prądami wirowymi. Wytwarzają one własne pole magnetyczne, którego kierunek (zgodnie z zasadą Lenza) jest taki, że oddziaływanie elektromagnesu hamuje ruch tarczy. Gdy tarcza wchodzi pomiędzy bieguny elektromagnesu, strumień indukcji przechodzący przez tarczę wzrasta, co powoduje powstanie w niej prądów indukcyjnych i zachodzi silne odpychanie między tarczą a elektromagnesem. Na skutek tego ruch tarczy jest hamowany. Gdy tarcza wychodzi ze szczeliny (po drugiej jej stronie), strumień indukcji przechodzący przez tarczę będzie malał, co spowoduje zmianę kierunku prądu wewnątrz tarczy, a tym samym zmianę kierunku wytwarzanego przez nią pola magnetycznego. W konsekwencji oddziaływanie między tarczą i elektromagnesem znowu będzie hamowało ruch wahadłowy tarczy. Z tego powodu tarcza gwałtownie się zatrzyma. Zjawisko prądów wirowych jest bardzo szkodliwe, gdy urządzenia elektryczne zbudowane są z dużej masy przewodników. Powodują zbędną utratę energii i grzanie się. Więcej informacji na temat siły elektromotorycznej znaleźć można na stronie www.fizyka.uniedu.pl.
Nazwa „siła elektromotoryczna” może być myląca. Wielkość te nie jest bowiem siłą i ma zupełnie inny wymiar. Wyrażamy ją w jednostkach napięcia, czyli w woltach.