Elektromagnetna indukcija i Faradejev zakon

🎯 Cilj lekcije
  • Objasniti kako promjena magnetnog polja u zavojnici stvara induciranu elektromotornu silu.
  • Izračunati magnetni fluks pomoću Φ = B·S·cos α i izraziti ga u veberima.
  • Primijeniti Faradejev zakon ε = −N·ΔΦ/Δt na jednostavne primjere.
  • Odrediti smjer inducirane struje pomoću Lenzovog pravila i objasniti zašto EMS zavisi od promjene, a ne od samog fluksa.

1. Struja koja nastaje bez baterije

Godine 1831. Michael Faraday je radio pokus koji je izgledao nemoguće: spojio je zavojnicu s galvanometrom i u nju stavljao magnet — bez ikakvog izvora napona. Kada magnet miruje, galvanometar pokazuje nulu. Ali u trenutku kada magnet ulazi u zavojnicu, igla se otkloni. Kada magnet izlazi, igla se otkloni na suprotnu stranu. Kada se zaustavi, igla se vrati na nulu.

Pojava se zove elektromagnetna indukcija, a struja koja pri tome nastaje je inducirana struja. Ona postoji samo dok se magnetno polje kroz zavojnicu mijenja.

💡 Ključna razlika Ovdje nije važno koliko je polje jako, nego koliko se brzo mijenja. Stalan fluks ne daje induciranu EMS. I slabo polje može dati mjerljiv napon ako se fluks dovoljno brzo mijenja; struja teče kada je kolo zatvoreno.

Postoje četiri načina da se polje kroz zavojnicu promijeni:

  • Kretanje magneta prema zavojnici ili od nje.
  • Kretanje zavojnice prema magnetu.
  • Promjena jačine struje u obližnjoj zavojnici, čime se mijenja polje koje ona stvara.
  • Obrtanje zavojnice u polju, čime se mijenja ugao između polja i površine zavojnice.

2. Magnetni fluks Φ

Da bismo opisali „koliko polja prolazi kroz površinu“, uvodimo veličinu magnetni fluks, oznaka Φ (grčko slovo fi). Zamisli zavojnicu kao malu površinu S postavljenu u polje B. Fluks je jednak proizvodu magnetne indukcije i površine, ako polje pada okomito na površinu:

Φ = B · S · cos α

Oznake: B magnetna indukcija (T), S površina poprečnog presjeka zavojnice (m²), α ugao između linija polja i normale na površinu. Jedinica za fluks je veber, oznaka Wb: 1 Wb = 1 T · 1 m².

Ugao αcos αFluksŠta to znači
0°1najveći, Φ = B·Spolje pada okomito na površinu
60°0,5upola manjipolje je zakošeno
90°0nulalinije polja samo klize duž površine

Ako zavojnica ima N zavoja, kroz svaki zavoj prolazi isti fluks, pa ukupni fluks kroz zavojnicu računamo kao N·Φ. Zato se broj zavoja pojavljuje u Faradejevom zakonu.

3. Faradejev zakon i Lenzovo pravilo

Faraday je mjerenjima došao do zakona koji povezuje promjenu fluksa s induciranom elektromotornom silom (EMS). Riječ je o naponu koji se u zavojnici „stvara“ bez baterije; oznaka je ε.

ε = − N · ΔΦΔt

Oznake: N broj zavoja, ΔΦ promjena fluksa (Wb), Δt vrijeme u kojem se promjena dogodila (s). Rezultat je u voltima. Iz zakona se vide tri stvari:

  • Jače polje ili veća površina daju veći fluks, pa pri istoj brzini promjene i veću EMS.
  • Brža promjena znači manji Δt, pa veću EMS. Zato se pri brzom izvlačenju magneta igla otkloni više.
  • Više zavoja znači veću EMS, jer se naponi pojedinih zavoja sabiraju.

Zašto minus u formuli? Lenzovo pravilo

Znak minus nije slučajan. On kaže da inducirana struja uvijek djeluje tako da se suprotstavi uzroku svoje pojave. To je Lenzovo pravilo:

  • Kada magnet ulazi u zavojnicu, fluks raste. Inducirana struja stvara polje koje se tome opire, pa se na bližem kraju zavojnice pojavljuje isti pol kao na magnetu koji se približava. Zavojnica ga odbija.
  • Kada magnet izlazi, fluks opada. Inducirana struja sada pokušava polje zadržati, pa se na bližem kraju pojavljuje suprotni pol. Zavojnica magnet privlači.

Zato je za uvlačenje magneta potrebno uložiti rad: inducirana struja se „opire“ kretanju. Tu energiju dobija električna struja — na tome se zasniva rad generatora.

⚠️ Najvažnija rečenica lekcije Ems ne zavisi od fluksa, nego od promjene fluksa u vremenu. Magnet koji miruje unutar zavojnice daje najveći fluks, ali nultu EMS, jer se fluks ne mijenja.

4. Isprobaj: magnet, zavojnica i galvanometar

Povlači klizač i pomjeraj magnet kroz zavojnicu, pa prati iglu galvanometra i graf. Igla se otklanja samo dok se fluks mijenja. Zatim uključi automatsko kretanje i uporedi oblik krive fluksa i krive EMS.

Φ = 93 % od najveće vrijednosti ε = 0,00 (rel.)
zavojnica S N 0 galvanometar Φ (plavo) ε (narandžasto) t → 0

Magnet miruje: fluks se ne mijenja, pa nema inducirane EMS.

Isti magnet, drugačiji pokušaj

Sada ne pomjeraš magnet rukom, nego ponavljaš kontrolisane pokušaje: svaki put se mijenja samo jedna stvar. Prvo predvidi, zatim pokreni pokušaj i uporedi sačuvane krive na istim osama. Model je šematski i usporen; Φ je dat u odnosu na najveći fluks (Φmax = 1), a ε u jedinicama „jed.“ = Φmax/s, bez kalibracije u Wb i V.

Zadatak:

Kretanje:
Brzina:
Desni kraj magneta:
zavojnica (pogled sa strane) S N + osa zavojnice (prema desno); Φ > 0 kada je polje usmjereno u + smjeru 1 0 −1 Φ / Φmax 3,5 0 −3,5 ε (jed. = Φmax/s) t (s) — usporen model, isti pokušaji uvijek daju iste krive

Spremno: odaberi kretanje, brzinu i položaj polova.

Odaberi zadatak, predvidi ishod, pa pokreni pokušaj.

    Sačuvani pokušaji (relativne jedinice)
    KrivaNajveći |ε| (jed.)Otklon igle, redomΦ/Φmax na kraju

    5. Korak po korak: od kretanja magneta do inducirane EMS

    Zadatak: „Zavojnica ima 200 zavoja i površinu poprečnog presjeka 20 cm². Magnet se približava tako da magnetna indukcija kroz zavojnicu poraste od 0 T na 0,5 T za 0,25 s. Polje je okomito na površinu zavojnice. Odredi induciranu EMS.“

    1.Ispiši podatke N = 200, S = 20 cm² = 2·10⁻³ m², ΔB = 0,5 T, Δt = 0,25 s.
    2.Pretvori površinu 1 cm² = 10⁻⁴ m², pa 20 cm² iznosi 20·10⁻⁴ m² = 2·10⁻³ m².
    3.Izračunaj početni i završni fluks Φ₁ = 0, Φ₂ = B·S = 0,5 · 2·10⁻³ = 1·10⁻³ Wb. Ugao je 0°, pa je cos α = 1.
    4.Odredi promjenu fluksa ΔΦ = Φ₂ − Φ₁ = 1·10⁻³ Wb. Mijenja se polje, a površina i ugao ostaju isti.
    5.Primijeni Faradejev zakon ε = N · ΔΦ / Δt = 200 · 1·10⁻³ / 0,25.
    ε=0,2 / 0,25 = 0,8 V Inducirana EMS je 0,8 V. Znak minus određuje samo smjer, pa ga ovdje navodimo riječima.

    6. Riješeni primjeri

    Dva tipa zadatka: računanje fluksa i inducirane EMS, te određivanje smjera inducirane struje Lenzovim pravilom. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.

    Tip 1: fluks i inducirana EMS

    Primjer 1: magnetni fluks kroz zavojnicu

    Kroz zavojnicu površine presjeka 0,02 m² prolazi homogeno polje 0,5 T okomito na površinu. Koliki je magnetni fluks kroz jedan zavoj?

    B=0,5 T,   S = 0,02 m² Površina je već u kvadratnim metrima, pa nema pretvaranja.
    α=0°,   cos α = 1 Polje je okomito na površinu, pa je ugao prema normali jednak nuli.
    Φ=B · S · cos α Formula za fluks kroz jednu površinu.
    Φ=0,5 · 0,02 · 1 = 0,01 Wb T · m² daje veber, što je i očekivana jedinica za fluks.
    Provjera⇒10 mWb Mali fluks je i očekivan: školska zavojnica ima malu površinu, a polje nije jako.

    Primjer 2: EMS iz promjene fluksa

    Fluks kroz jedan zavoj poraste sa 0,01 Wb na 0,04 Wb za 0,3 s. Kolika je prosječna inducirana EMS u jednom zavoju?

    Φ₁=0,01 Wb,   Φ₂ = 0,04 Wb Podaci o početnom i završnom fluksu.
    ΔΦ=0,04 − 0,01 = 0,03 Wb Promjena je razlika završne i početne vrijednosti, uvijek u tom redu.
    Δt=0,3 s Vrijeme u kojem se promjena dogodila, u sekundama.
    ε=ΔΦ / Δt = 0,03 / 0,3 = 0,1 V Za jedan zavoj N = 1, pa se formula svodi na ε = ΔΦ/Δt.
    Provjera⇒0,1 V Wb/s je isto što i volt. Rezultat je mali, ali mjerljiv osjetljivim galvanometrom.

    Primjer 3: zavojnica sa više zavoja

    Zavojnica ima 100 zavoja. Fluks kroz svaki zavoj se poveća za 0,004 Wb u vremenu 0,2 s. Kolika je inducirana EMS na krajevima zavojnice?

    N=100 Naponi pojedinih zavoja se sabiraju, pa broj zavoja ulazi kao faktor.
    ΔΦ=0,004 Wb po zavoju Promjena fluksa kroz svaki pojedini zavoj je ista.
    ε=N · ΔΦ / Δt Faradejev zakon za zavojnicu s N zavoja.
    ε=100 · 0,004 / 0,2 100 · 0,004 = 0,4, a zatim dijeljenje s 0,2.
    ε=2 V Dobili smo 2 V, dvadeset puta više nego u primjeru 2: zavoja je 100 puta više, promjena fluksa po zavoju je 7,5 puta manja, a vrijeme je 1,5 puta kraće (100 · 1,5 / 7,5 = 20).
    Provjera⇒2 V Red veličine odgovara ručnom generatoru. Više zavoja — veći napon, uz istu promjenu fluksa.

    Tip 2: Lenzovo pravilo i smjer inducirane struje

    Primjer 1: magnet ulazi u zavojnicu

    Šipkasti magnet približava se zavojnici N polom naprijed. U kojem smjeru djeluje inducirana struja i kako se zavojnica ponaša prema magnetu?

    Fluks=raste Magnet se približava, pa polje kroz zavojnicu postaje jače.
    Lenz⇒opire se porastu Polje inducirane struje mora djelovati suprotno od polja magneta.
    Pol na bližem kraju=N Da bi se opirala približavanju N pola, zavojnica na bližem kraju stvara N pol.
    Smjer struje⇒pravilo desne ruke Palac pokazuje prema bližem kraju (N), a prsti daju smjer struje u namotaju.
    Zaključak⇒odbijanje Zavojnica odbija magnet koji se približava. Zato pri ulasku moramo uložiti rad.

    Primjer 2: magnet izlazi iz zavojnice

    Isti magnet sada izlazi iz zavojnice, i dalje s N polom okrenutim prema zavojnici. Šta se mijenja u odnosu na prethodni primjer?

    Fluks=opada Magnet se udaljava, pa polje kroz zavojnicu slabi.
    Lenz⇒fluks se zadržava Polje inducirane struje ima isti smjer kao polje magneta, da nadoknadi ono što se gubi.
    Pol na bližem kraju=S Zavojnica sada pokazuje S pol prema magnetu, pa ga privlači.
    Smjer struje⇒suprotan nego pri ulasku Galvanometar skreće na drugu stranu. To je i eksperimentalna provjera Lenzovog pravila.
    Zaključak⇒privlačenje Smjer kretanja magneta određuje smjer struje, a ne samo koji je pol okrenut prema zavojnici.

    Primjer 3: magnet miruje unutar zavojnice

    Magnet je potpuno uvučen u zavojnicu i miruje. Fluks kroz zavojnicu je najveći mogući. Kolika je inducirana EMS i zašto?

    Fluks=najveći, ali stalan Magnet je unutra, pa je polje kroz zavojnicu najjače. Vrijednost se, međutim, ne mijenja.
    ΔΦ=0 Wb Promjena je nula, jer se ništa ne mijenja tokom vremena.
    ε=N · 0 / Δt = 0 V Dijeljenje nule bilo kojim vremenom daje nulu, pa nema inducirane EMS.
    Galvanometar=nula Igla miruje, iako je polje najjače. To je najčešća zabuna kod učenika.
    Zaključak⇒bitna je promjena Ems zavisi od brzine promjene fluksa, a ne od njegovog iznosa. Veliki stalan fluks daje nultu EMS.
    ⚠️ Česte greške
    • „Što je veći fluks, veća je i EMS.“ Nije tačno. Ems zavisi od promjene fluksa u vremenu. Stalan, pa i najveći fluks daje nultu EMS.
    • Računanje s uglom od 90° kao s najvećim fluksom. Pri α = 90° polje klizi duž površine, cos 90° = 0, pa je fluks nula. Najveći fluks je pri α = 0°.
    • Zaboravljen broj zavoja N. Kod zavojnice se EMS povećava s brojem zavoja, pa N mora biti u računu.
    • „Inducirana struja teče i kada magnet miruje.“ Struja postoji samo dok se fluks mijenja. Kada se promjena zaustavi, struja odmah prestaje.

    ✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)

    1. Magnet miruje unutar zavojnice, a fluks kroz zavojnicu je najveći mogući. Kolika je inducirana EMS?

    2. Kako se mijenja inducirana EMS ako istu promjenu fluksa ostvariš za upola kraće vrijeme?

    3. Šta kaže Lenzovo pravilo o smjeru inducirane struje?

    4. Koliki je magnetni fluks kroz površinu 0,05 m² u polju 0,4 T koje pada pod uglom 60° prema normali?

    7. Primijeni i objasni

    Samostalan zadatak: Zavojnica ima 50 zavoja i površinu presjeka 40 cm². Magnetno polje kroz nju se za 0,2 s poveća od 0,1 T na 0,5 T, okomito na površinu. Izračunaj induciranu EMS. Zatim objasni šta bi se dogodilo s EMS da je magnet izvlačen tri puta brže, i zašto galvanometar pokazuje nulu dok magnet miruje u zavojnici.
    Provjeri rješenje i obrazloženje

    Podaci: N = 50, S = 40 cm² = 4·10⁻³ m², ΔB = 0,4 T, Δt = 0,2 s, α = 0°. Promjena fluksa je ΔΦ = ΔB · S = 0,4 · 4·10⁻³ = 1,6·10⁻³ Wb. Tada je ε = N · ΔΦ/Δt = 50 · 1,6·10⁻³/0,2 = 0,08/0,2 = 0,4 V.

    Kada bi se promjena dogodila tri puta brže, Δt bi bio tri puta manji, pa bi EMS bila tri puta veća: oko 1,2 V. Dok magnet miruje u zavojnici, fluks je velik ali stalan, ΔΦ = 0, pa je i EMS jednaka nuli. Galvanometar tada pokazuje nulu iako je polje najjače — to je najvažnija razlika između fluksa i njegove promjene.

    Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju i uporedi graf fluksa s otklonom igle: igla je najviše otklonjena tamo gdje kriva fluksa ima najstrmiji nagib.

    Veza s programom

    Ključni sadržaji koje ovdje učiš: elektromagnetna indukcija, magnetni fluks, inducirana elektromotorna sila, Faradejev zakon i Lenzovo pravilo.

    Oblast D, magnetizam. Oznake ishoda u izvoru: D.9.3. Predmetni kurikulum KS, 9. razred, oblast D, štampana stranica 26. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.