Ηλεκτρομαγνητική Επαγωγή

 Δημιουργούμε την παρακάτω συνδεσμολογία

Συνδέουμε πηνίο με το  μιλιαμπερόμετρο όπως δείχνει το σχήμα. Κρατάμε ένα  ραβδόμορφο μαγνήτη έτσι ώστε ο άξονάς του να είναι παράλληλος με τον άξονα του πηνίου .Το  όργανο δείχνει 0. Και όσο ο μαγνήτης είναι ακίνητος  θα δείχνει μηδέν . Κινούμε τον μαγνήτη παράλληλα προς εαυτόν. Παρατηρούμε:

1)Όσο κινείται ο μαγνήτης το  μιλιαμπερόμετρο έχει απόκλιση

2)Αν ο μαγνήτης κινηθεί αριστερά έχει μια απόκλιση ενώ αν κινηθεί δεξιά έχει την αντίθετη απόκλιση

3)Η απόκλιση εξαρτάται από την μεταβολή της ταχύτητας με την οποία κινείται ο μαγνήτης

4) Αν απομακρυνθεί αρκετά ο μαγνήτης το γαλβανόμετρο μηδενίζεται και φαίνεται να μη επηρεάζεται από το μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη

Τρόπος κίνησης του μαγνήτη σε σχέση με τον άξονα του πηνίου

 Με  δεδομένο ότι η δεν μπορεί να εμφανιστεί ενέργεια εκ το μη όντως  μας γεννάται το ερώτημα : « από που προέρχεται η ενέργεια του  ηλεκτρικού ρεύματος?»  .Θα πρέπει να σκεφτούμε πως για να πλησιάσουμε ή για να απομακρύνουμε  τον μαγνήτη  «κουραζόμαστε» επομένως μεταβιβάζουμε ενέργεια στο σύστημα. Είναι και ο λόγος που αναγκάζει το γαλβανόμετρο να αποκλίνει.

 Στο ίδιο συμπέρασμα μας οδηγεί και ο κανόνας του Lenz όταν μας λέει ότι η φορά του επαγωγικού ρεύματος είναι τέτοια ώστε το πηνίο να «αρνείται» την προσέγγιση του μαγνητικού πόλου.   Δεδομένου ότι η κανόνας του Lentz αναφέρεται μόνο στο συγκεκριμένο φαινόμενο ενώ η Διατήρηση της ενέργειας ισχύει για όλα τα φαινόμενα, μπορούμε να πούμε ότι ο κανόνας του Lenz αποτελεί μια εξειδικευμένη περίπτωση του νόμου Διατήρηση της ενέργειας προσαρμοσμένη στο ειδικό φαινόμενο ηλεκτρομαγνητική επαγωγή.

Προφανώς το σύνολο της Ενέργειας ( αύξηση θερμικής ενέργειας λόγω του ηλεκτρικού ρεύματος , φωτεινή εφόσον έχουμε λαμπτήρα κ.λ.π) δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την μηχανική ενέργεια του αιτίου που  κινεί τον μαγνήτη και στη συγκεκριμένη περίπτωση είναι η ενέργεια που μεταβίβασε ο άνθρωπος.

Παρατηρήσεις: Το επαγωγικό ρεύμα έχει πάντα τέτοια φορά ώστε να αντιστέκεται στο αίτιο που το δημιουργεί. Για παράδειγμα:Αν ο μαγνήτης κινηθεί προς τα δεξιά τότε το επαγωγικό ρεύμα θα είναι τέτοιας φοράς ώστε το μαγνητικό πεδίο του πηνίου να  δημιουργεί Βόρειο πόλο ώστε να εμποδίζει τον βόρειο  πόλο του μαγνήτη να πλησιάσει ενώ αν κινηθεί προς τα αριστερά θα αλλάξει η φορά του επαγωγικού ρεύματος για να δημιουργήσει νότιο πόλο και να εμποδίσει τον Βόρειο πόλο του μαγνήτη να απομακρυνθεί. 
Αντί για μιλιαμπερόμετρο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε γαλβανόμετρο  μηδενός  Στην περίπτωση αυτή είναι προτιμότερο  το πηνίο στο όργανο να έχει 300 σπέιρες ενώ  το πηνίο όπου κινείται ο μαγνήτης να έχει 1200 σπείρες. Πρέπει όλοι οι μαθητές να εισαγάγουν και να εξαγάγουν τον μαγνήτη διαδοχικά ο καθένας με τη δική του κίνηση. Το γαλβανόμετρο θα δείξει την διέλευση  ρεύματος.
Παρατίθενται ερωτήσεις με απαντήσεις

 Ερωτήσεις με απαντήσεις

Ι) Είναι υποχρεωτικό να υπάρχει παραλληλία μεταξύ του άξονα του μαγνήτη και του άξονα του πηνίου: Η Μαγνητική ροή είναι: Φ=B.S.συνθ  όπου S το εμβαδόν της επιφάνειας και θ η γωνία που σχηματίζει το διάνυσμα της έντασης και το διάνυσμα  της επιφάνειας. Πρακτικά είναι η γωνία που σχηματίζουν οι δυναμικές γραμμές του πεδίου με την κάθετο στην επιφάνεια. Και αν η επιφάνεια είναι κάθετος στις δυναμικές γραμμές τότε θ=0^ο άρα συνθ=1 επομένως  έχω την μέγιστη μαγνητική ροή . Σε οποιαδήποτε άλλη γωνία θα έχω μικρότερη ροή ή ακόμα και αρνητική

II.Το αίτιο που δημιουργεί τα επαγωγικά ρεύματα είναι τελικά η μαγνητική ροή?

Αν έχω ακίνητο τον μαγνήτη και κοντά στο πηνίο μαγνητική ροή έχω αφού έχω και Β και S  και γωνία θ .Επαγωγικό ρεύμα όμως δεν έχω.Τι συμβαίνει αν μετακινήσω τον μαγνήτη? Αλλάζει η μαγνητική ροή. Επομένως το αίτιο είναι η μεταβολή της μαγνητικής ροής 

ΙΙΙ.Γιατί ο μαγνήτης να είναι αρκετά κοντά στο πηνίο?Το μαγνητικό πεδίο ενός ραβδόμορφου μαγνήτη κοντά στους πόλους του είναι σχεδόν ομογενές Αν πάμε αρκετά μακριά  , λόγω απόκλισης των μαγνητικών γραμμών  δεν θα έχουμε μαγνητική ροή για το πηνίο άρα δεν θα έχουμε και μεταβολή 

IV.Το φαινόμενο εμφανίζεται για κάθε κίνηση?Θα μπορούσε να είναι ακίνητος ο μαγνήτης και να κινείται το πηνίο. Αν θεωρήσουμε αντί για πηνίο ένα  μεταλλικό πλαίσιο  τετράγωνο πλευράς α με εμβαδόν S= α² τότε ο παρατηρούμε πως ο τύπος της ροής εξαρτάται από το Β το α και τη γωνία.. Αν διατηρήσουμε σταθερά τα Β και α και μεταβάλλουμε τη γωνία πάλι θα έχουμε μεταβολή ροής. Συνεπώς ένα τέτοιο πλαίσιο περιστρεφόμενο μέσα σε μαγνητικό πεδίο θα εμφάνιζε  τάση στα άκρα του.

V.Ο αριθμός σπειρών του πηνίου επηρεάζει το φαινόμενο?Ο αριθμός σπειρών μεγαλώνει το εμβαδόν επιφανείας  S  πολλαπλασιαστικά.

S_ολ=n.S₁ Επομένως δρα πολλαπλασιαστικά

VI.Αν σε μαγνητικό πεδίο βάλλουμε  μια κλειστή επιφάνεια θα έχουμε εμφάνιση του φαινομένου?Αν μέσα σε κάποιο μαγνητικό πεδίο βάλουμε μία κλειστή επιφάνεια η ολική ροή που θα περνά μέσα από αυτή θα είναι μηδέν. Αυτό είναι φανερό επειδή όσες δυναμικές γραμμές μπαίνουν στην επιφάνεια τόσες βγαίνουν από αυτή.

VII.Η μαγνητική είναι τελικά διάνυσμα?

Πρέπει να αναφέρουμε επίσης ότι η μαγνητική ροή είναι μονόμετρο μέγεθος

VIII. Πως θα περιγράφατε το φαινόμενο της  Επαγωγής?Η μεταβολή με κάθε τρόπο της μαγνητικής ροής που περνάει από τις σπείρες ενός πηνίου προκαλεί  ανάπτυξη ηλεκτρεγερτικής δύναμης στο πηνίου που διαρκεί όσο χρόνο διαρκεί και η μεταβολή της μαγνητικής ροής

IX Η ηλεκτρεγερτική δύναμη έχει μονάδες δύναμης?Η ηλεκτρεγερτική δύναμη από επαγωγή που δημιουργείται σε ένα πηνίο είναι ανάλογη με τον ρυθμό μεταβολής της μαγνητικής ροής ΔΦ/Δt και ανάλογη με τον αριθμό  Ν των σπειρών του πηνίου Ε=-Ν.ΔΦ/Δt    Μονάδες στο  S.I 1Wbs= 1V
Χ Ποιός είναι ο ορισμός τη μαγνητικής ροής με την βοήθεια της ΗΕΔ (ηλεκτρεγερτικής δύναμης )   1Wb είναι η μαγνητική ροή που περνάει από μια σπείρα και ελαττώνεται ομοιόμορφα  ως την τιμή μηδέν  μέσα σε 1s αναπτύσει ΗΕΔ επαγωγής ίση με 1 V  Δηλαδή 1Wb=1V.1s

Αριθμητικές εφαρμογές

Εφαρμογή πρώτη :Πηνίο αποτελείται από Ν=300 σπείρες και είναι μέσα σε μαγνητικό πεδίο  με το επίπεδο των σπειρών κάθετο στις δυναμικές γραμμές του πεδίου που έχει τιμή Β=0,5 T. Την χρονική στιγμή t₁=0 το πεδίο αρχίζει να αυξάνει με σταθερό ρυθμό και την χρονική στιγμή  t₂=0,2s   έχει φτάσει η τιμή του   Β=0,9 T. Το εμβαδόν της κάθε σπείρας είναι S₁=4x10^-2 m²  και το πηνίο παρουσιάζει αντίσταση  R=100 Ω. Να υπολογιστούν:
  Α)Η Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή που αναπτύσσεται στα άκρα του πηνίου 
Β)Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το πηνίο
Γ)Το συνολικό φορτίο που περνάει από μια διατομή του σύρματος  μιας σπείρας του πηνίου.

Εφαρμογή δεύτερη: Πηνίο που παρουσιάζει αντίσταση 10 Ω και αποτελείται από 100 σπείρες με ακτίνα της κάθες σπείρας r= 4x10^-3 m είναι συνδεμένο σε σειρά με γαλβανόμετρο που έχει αντίσταση 90 Ω Το πηνίο  τοποθετείται  ανάμεσα  τους πόλους πεταλοειδούς μαγνήτου  έτσι ώστε η επιφάνεια κάθε σπείρας να είναι κάθετος στις δυναμικες γραμμές του μαγνητικού πεδίου του μαγνήτη. Αν απότομα βγάλουμε το πηνίο από το πεδίο  τότε παρατηρούμε οτι φορτίο q=4x10^-4 Cb  διαρρέει το γαλβανόμετρο Να υπολογιστει η ένταση του μαγνητικού πεδίου ανάμεσα στους πόλους του μαγνήτη.