Ο νόμος της επαγωγής του Faraday


Όταν τo 1820 o Δανός Hans Christian Oersted παρατήρησε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, ανακαλύπτοντας έτσι πειραματικά το φαινόμενο του ηλεκτρομαγνητισμού, άνοιξε ένα νέο πεδίο επιστημονικής έρευνας σε όλη την Ευρώπη. Και ο Βρετανός Michael Faraday-Faraday είχε τεράστια συμβολή σ’ αυτό.

Στις 3 Σεπτεμβρίου 1821, ξεκίνησε μια σειρά πειραμάτων μέσα από τα οποία ανακάλυψε την αρχή λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα. Στα επόμενα χρόνια τον βασάνιζε το ερώτημα, αν το ηλεκτρικό ρεύμα που διέρρεε έναν αγωγό, θα μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν δεύτερο γειτονικό αγωγό (αν δηλαδή το μαγνητικό πεδίο μπορεί να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα).

Στις 29 Αυγούστου 1831κατάφερε να το αποδείξει πειραματικά, χρησιμοποιώντας έναν σιδερένιο δακτύλιο διαμέτρου 6 ιντσών, γύρω από τον οποίο τυλίχθηκαν πηνία από χάλκινο σύρμα. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε το κύκλωμα της διάταξης του Faraday. Όταν έκλεινε (ή άνοιγε) ο διακόπτης, περνούσε (ή διακόπτονταν) το ηλεκτρικό ρεύμα στο πρώτο πηνίο, με αποτέλεσμα την μεταβολή της μαγνητικής ροής που διέσχιζε το δεύτερο πηνίο και την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος που κατέγραφε το γαλβανόμετρο.

Το επαγωγικό ρεύμα στο δεύτερο πηνίο είχε τέτοια φορά ώστε το μαγνητικό πεδίο του δεύτερο πηνίου να είναι αντιτίθεται στην μεταβολή του μαγνητικού πεδίου του πρώτου πηνίου. Το φαινόμενο αυτό ονομάστηκε ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και η κατασκευή του Faraday ήταν στην ουσία ο πρώτος μετασχηματιστής.

Φήμες λένε πως όλες αυτές οι «ανούσιες» ανακαλύψεις του 19ου αιώνα θα διδαχθούν φέτος για πρώτη φορά μετά από πολλά χρόνια στο Λύκεια της χώρας μας. Τα παλιά χρόνια λοιπόν, πριν τον εκσυγχρονισμό της μέσης εκπαίδευσης και την προσαρμογή της στην βαριά βιομηχανία της χώρας, ο νόμος της επαγωγής (ή νόμος Faraday-Henry) διατυπωνόταν στα σχολικά βιβλία ως εξής:
Η ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή που δημιουργείται σε ένα πηνίο είναι ανάλογη με το ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής ΔΦ/Δt και ανάλογη με τον αριθμό Ν των σπειρών του πηνίου

Ɛ=–Ν·ΔΦ/Δt

Η σημασία του αρνητικού προσήμου δικαιολογείτο με τον κανόνα Lenz: Το επαγωγικό ρεύμα έχει τέτοια φορά ώστε το μαγνητικό του πεδίο να αντιτίθεται στο αίτιο που το προκάλεσε.
Μια πιο προχωρημένη μαθηματική διατύπωση του νόμου της επαγωγής είναι η εξής: ένα μαγνητικό πεδίο που μεταβάλλεται με τον χρόνο δημιουργεί ηλεκτρικό πεδίο, τέτοιο ώστε η κυκλοφορία του (αλλιώς, η ηλεκτρεγερτική δύναμη) κατά μήκος ενός αυθαίρετου κλειστού δρόμου, να ισούται με τον (αρνητικό) ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής μέσα από μια επιφάνεια που ορίζεται από τον δρόμο.

Σε ολοκληρωτική μορφή ο νόμος γράφεται:

και σε διαφορική μορφή:

Με λίγα λόγια, το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο.

Το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής προσφέρεται πάντα για εντυπωσιακά πειράματα, με αιωρούμενους μεταλλικούς δακτυλίους και πηνία ή το άναμμα μιας λάμπας εξ’ αποστάσεως (μιας λάμπας συνδεδεμένης με πηνίο στο οποίο πλησιάζει ή απομακρύνεται ένας μαγνήτης).


Ας δούμε λοιπόν το βίντεο με ένα εντυπωσιακό πείραμα επαγωγής

Ένας δίσκος ενός χιλιογράμμου αιωρείται πάνω από ένα τεράστιο πηνίο που τροφοδοτείται με ισχυρότατο εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Το «κερασάκι στην τούρτα» είναι το αυτοσχέδιο φωτιστικό που ανάβει επίσης λόγω επαγωγής:

πηγή: https://www.aps.org/publications/apsnews/200108/history.cfm