OSNOVE ELEKTROTEHNIKE
INTERAKTIVNI NASTAVNI MATERIJALI
animacije · pokusi · lab. vježbe · simulacije · test pitanja · zadaci

Magnetizam · Inducirani napon zbog pomicanja magneta

Prikazan je vodljivi (metalni) zavoj (prsten) koji je prekinut. Krajevi prekida su označeni s $a$ i $b$. Na osi zavoja (s desne strane) nalazi se stalni magnet. Magnetske silnice izlaze iz N (sjevernog) pola i ulaze u S (južni) pol. Dio silnica prolazi kroz površinu presjeka prstena i stvara magnetski tok $\varPhi$. Ako se magnet približava prstenu taj tok se mijenja — raste, jer sve veći broj silnica prolazi kroz površinu presjeka prstena, a kada se magnet udaljava magnetski tok pada (jer sve manji broj slinica prolazi kroz površinu presjeka prstena). Na početku je smjer magnetskih slinica (magnetskog toka) zadan u lijevo.

Zbog promjene toka nastaje prema Faradayevom zakonu inducirani napon. Ako bi prekid prespojili potekla bi inducirana struja kroz prsten. Prsten gledano s krajeva $a$ i $b$ postaje izvor električne energije. Iznos napona ovisi o brzini promjene toka $({{\Delta\varPhi} \over {\Delta t}})$. Što je brža promjena toka napon će biti veći. Osim iznosa, napon ima i polaritet. U nastavku je opisan način određivanja polariteta napona odnosno smjera inducirane struje.

Za određivanje polariteta koristimo Lenzovo pravilo: inducirana struja stvara inducirani tok koji se protivi promjeni toka nastalog od magneta. Ako tok kroz prsten raste inducirani tok mu se opire u suprotnom smjeru, a ako tok kroz prsten pada inducirani tok ga nastoji održati u istom smjeru. Ovdje struje nema jer strujni krug nije zatvoren. Da bi odredili polaritet induciranog napona moramo postaviti pitanje: Koji bi smjer trebala imati ta inducirana struja? To ustanovimo pravilom desne ruke — palac pokazuje smjer induciranog toka, a savinuti prsti smjer inducirane struje. Na kraju se pitamo na kojem kraju prekida treba biti $+$ da bi struja potekla kroz prsten (izvor električne energije) u tom smjeru.

Pojave Faradayevog i Lenzovog zakona možete analizirati u animaciji u kojoj se magnet približava prstenu, zaustavlja se i nakon toga vraća na početni položaj. Pritom dobivate graf promjene toka kroz presjek prstena kao i graf promjene induciranog napona između točaka $a$ i $b$. Dodatno, možete ponoviti pokus uz zamjenu polova magneta.

Ako na krajeve $a$ i $b$ spojimo otpornik (trošilo) dobivamo jednostavni strujni krug: izvor (prsten) — vod (žice) — trošilo $(R)$. Struje ima tako dugo dok pomičemo magnet. Pretpostavimo da je $+$ pol izvora na stezaljki $a$. Podsjetimo se kako teče struja:

  • u vanjskom dijelu strujnog kruga (kroz trošilo) struja teče od $+$ prema $-$
  • a unutar izvora je smjer struje od $-$ prema $+$

Treba primijetiti da se prilikom pomicanja magneta vršimo rad (trošimo mehaničku energiju). Pažljivi čitatelj će primijetiti da je za pomicanje naboja unutar izvora potrebna "neka sila". To je elektromotorna sila. Karakter te sile je različit i ovisi o vrsti izvora. Općenito možemo kazati da se u izvoru vrši pretvorba jedne vrste energije (mehaničke, toplinske, svjetlosne, kemijske) u drugu — električnu, koju onda u našim uređajima opet pretvaramo u korisni rad i/ili toplinu...

Osim s povećanom brzinom pomicanja magneta, inducirani napon se može povećati tako da umjesto prstena (jednog zavoja) postavimo zavojnicu (niz zavoja). Otpor žice takve zavojnice dobiva ulogu unutarnjeg otpora izvora. Ako na krajeve $a$ i $b$ putem priključnih vodiča spojimo nul—instrument možemo načiniti pokus u kojem ćemo eksperimentalno ustanoviti polaritet i iznos induciranog napona (slika dolje lijevo).

Na slici dolje desno prikazana je jedna od primjeni Faradayevog zakona. To je akumulatorska svjetiljka kojoj akumulator napunimo tako da je "tresemo" lijevo-desno i pritom pomičemo magnet koji prolazi kroz zavojnicu. Nastala struja preko elektroničkog regulatora puni akumulator...