Článok v pdf

Princíp elektromagnetickej indukcie

V technickej praxi má veľký význam nestacionárne magnetické pole. Pre takéto magnetické pole je charakteristické, že fyzikálne veličiny, ktoré ho kvantitatívne opisujú, sú časovo premenné. To znamená, že ich veľkosť alebo smer sa s časom menia. Zdrojom nestacionárneho magnetického poľa môže byť:

• časovo premenný prúd prechádzajúci nepohyblivým vodičom (prípadne pohybujúca sa nabitá častica),
• pohybujúci sa vodič, ktorým prechádza prúd (nezáleží na tom, či je konštantný alebo časovo premenný),
• pohybujúci sa magnet alebo elektromagnet,
• časovo premenné elektrické pole.

Od druhej polovice 19. storočia je známe, že deje v nestacionárnom magnetickom poli sú vždy spojené so vznikom nestacionárneho elektrického poľa. Ide o elektromagnetické deje, pri ktorých sú nestacionárne elektrické a magnetické pole navzájom neoddeliteľné a vytvárajú jediné elektromagnetické pole.

Najznámejším príkladom je jav vznikajúci pri pohybe permanentného magnetu v dutine cievky. Pohybujúci sa magnet vytvára nestacionárne magnetické pole, ktoré je príčinou indukovaného elektrického poľa. To znamená, že medzi koncami vodiča (cievky) vzniká indukované elektromotorické napätie a uzavretým elektrickým obvodom prechádza indukovaný elektrický prúd. Tento jav dostal názov elektromagnetická indukcia.

Lietadlo v magnetickom poli Zeme

Iným zaujímavým príkladom je pohyb lietadla v magnetickom poli Zeme. Keďže konštrukcia lietadla je z veľkej časti kovová, predstavuje jeho let pohyb vodiča v magnetickom poli. Medzi koncami krídel lietadla sa indukuje elektrické napätie. Jeho hodnoty sú však pomerne malé, rádovo desiatky milivoltov. Keďže sa toto napätie indukuje vo všetkých vodivých predmetoch v lietadle, teda aj v častiach meracích prístrojov a prepojovacích vodičoch, nie je možné toto napätie prístrojmi na palube lietadla zmerať. Podrobnejšie sa týmto problémom zaoberá úloha č. 6 domáceho kola Fyzikálnej olympiády kategórie B.

Elektromagnetická indukcia a búrka

Elektromagnetická indukcia sa môže prejaviť aj pri búrke sprevádzanej bleskami. Blesk môže spôsobiť poškodenie citlivých meracích prístrojov. Stáva sa to preto, lebo blesk ako krátkodobý elektrický prúd s veľkou intenzitou vyvoláva silné nestacionárne magnetické pole. Ak sa v jeho blízkosti nachádzajú prístroje s uzavretými elektrickými obvodmi, indukuje sa v nich elektrický prúd. Ak tieto zariadenia obsahujú zosilňovacie prvky, môže byť prúd taký veľký, že celé zariadenie poškodí. Ak počas búrky počúvame rádio, môžeme počuť praskanie. To sa dá opäť jednoducho vysvetliť. Indukovaný prúd, ktorý prechádza reproduktorom, vyvoláva v našom uchu vnem prasknutia.

Elektrická gitara

Zatiaľ čo klasická – akustická – gitara vydáva zvuky vďaka dutej časti nástroja, v ktorej sa rezonanciou zosilňujú kmity spôsobené brnknutím do strún, elektrická gitara nemá dutú časť, ktorá by rezonovala. Miesto toho sú kmity kovových strún snímané elektrickými snímačmi, ktoré menia mechanický impulz na elektrický signál. Tento signál sa potom zosilňuje a pomocou reproduktorov sa prevádza na zvuk.

Snímač elektrickej gitary tvorí cievka, ktorá je navinutá na malý permanentný magnet. Magnetické pole tohto magnetu indukuje severný a južný pól v tej časti kovovej struny, ktorá sa práve nachádza nad magnetom. Táto časť struny potom vytvára svoje vlastné magnetické pole. Ak hráč brnkne na strunu, začne struna kmitať. Keďže sa struna pri týchto kmitoch pohybuje vzhľadom na cievku, vytvára sa v jej okolí nestacionárne magnetické pole. Toto pole je príčinou vzniku indukovaného prúdu, ktorý vzniká v cievke. Struna kmitá k cievke a od nej. Indukovaný prúd mení smer rovnakou frekvenciou ako kmity struny a prenáša tieto kmity do zosilňovača a reproduktora.

Na rôznych typoch elektrických gitár nájdeme rôzne zoskupenia snímačov. Tie bývajú spravidla umiestnené v skupinách blízko uchytenia strún na širokej časti tela gitary. Skupiny snímačov, ktoré sa nachádzajú bližšie pri kobylke, zachytávajú lepšie vyššie frekvencie. Snímače, ktoré sú najďalej, nižšie frekvencie. Na tele gitary sa nachádza aj prepínač, pomocou ktorého môže hudobník ovplyvňovať, ktorá skupina snímačov vysiela signály do zosilňovača a reproduktorov.

Meranie prietoku krvi

Rýchlosť prúdenia krvi v našom tele môžeme merať pomocou jednoduchej aparatúry využívajúcej elektromagnetickú indukciu s názvom elektromagnetický prietokomer. Krv prúdiaca v našich žilách obsahuje nabité ióny. Keď vložíme časť tela so žilou medzi póly magnetu, vzniká vďaka pohybu nabitých častíc v magnetickom poli indukované elektrické napätie, ktorého veľkosť môžeme merať pomocou elektród priložených na príslušnú časť tela (presnejšie na povrch vonkajších stien žily). Ak poznáme veľkosť indukcie použitého magnetického poľa, môžeme z veľkosti nameraného napätia určiť rýchlosť prúdiacej krvi. Ak zmeriame plošný obsah prierezu žily, ľahko určíme prietok krvi v príslušnej žile.

Vírivé prúdy

Indukované prúdy vznikajú nielen vo vodičoch a cievkach, ale aj v masívnych vodičoch (plech, kotúč, hranol), ktoré sa nachádzajú buď v nestacionárnom magnetickom poli, alebo sa pohybujú v stacionárnom magnetickom poli. Pretože indukované prúdy v plošných vodičoch si môžeme predstaviť ako miniatúrne víry, nazývajú sa tieto prúdy vírivé. O ich objavenie sa zaslúžil francúzsky fyzik J. B. L. Foucault (1819 – 1868), preto sa im hovorí aj Foucaultove prúdy.

Mechanizmus vírivých prúdov je spojený s uvoľňovaním tepla, preto sa masívne vodiče pri ich vzniku zahrievajú. Toto zahrievanie vodičov sa využíva pri tzv. indukčnom ohreve. Pretože teplo prijaté masívnym vodičom za jednotku času závisí priamo úmerne od druhej mocniny frekvencie striedavého prúdu, používajú sa na podobné účely vysokofrekvenčné striedavé prúdy.

Vírivé prúdy indukované vo vodičoch, ktoré sa pohybujú v magnetickom poli, pôsobia svojimi účinkami proti pohybu, to znamená, že brzdia pohyb vodiča (Lenzov zákon). To sa využíva napr. na tlmenie pohybu systémov elektrických meracích prístrojov (pohyb hliníkového kotúča v elektromere) alebo v tzv. indukčných brzdách.

Elektromagnetická brzda na vlaku

Na zabrzdenie pohybujúceho sa vlaku sa používa sústava elektromagnetov, ktoré visia zo železničného vozňa blízko jednej koľajnice. Ak chce rušňovodič zastaviť vlak pomocou elektromagnetickej brzdy, vyšle pomocou ovládacieho zariadenia do cievky elektromagnetu veľký prúd. Pohybujúci sa elektromagnet indukuje v koľajniciach vírivé prúdy, ktorých pole pôsobí proti zmene v poli elektromagnetu. Magnetické pole vírivých prúdov teda pôsobí silou na elektromagnet, čím spomaľuje idúci vlak.

Indukčný varič

V posledných rokoch sa do našich domácností dostávajú moderné kuchynské spotrebiče, medzi ktoré patria sporáky s indukčnými varičmi. V indukčnom variči je cievka umiestnená priamo pod varnou plochou. Pri varení je táto cievka napájaná vysokofrekvenčným striedavým prúdom. Magnetické pole vytvorené týmto prúdom sa periodicky mení a indukuje prúd vo vodivej panvici alebo hrnci. Pretože materiál, z ktorého je kuchynský riad vyrobený, má nenulový odpor, uvoľňuje sa v ňom teplo, a tým dochádza k ohrievaniu jedla, ktoré sa v ňom pripravuje. Samotná varná plocha, ktorú môže tvoriť napr. sklenená alebo keramická platňa, sa pritom nezahrieva. Pri indukčnom ohreve na najmodernejších spotrebičoch sa ohrieva len priestor, na ktorom je položená nádoba. Po jej odložení sa ohrev automaticky zastaví, zostane len zostatkové teplo, ktoré sa prenieslo z dna hrnca na varnú zónu. Indukčné varenie je varenie s turboefektom, to znamená, že nastavená teplota sa dosiahne okamžite po zapnutí varnej zóny, výsledkom je extrémne krátky čas varenia. Na ovládacom paneli nájdete tlačidlá na zapnutie a vypnutie jednotlivých varných plôch, či dokonca displej, ktorý vás informuje o zvolenom výkone. Okrem toho môžete použiť reguláciu výkonu pre každú varnú plochu a indikátor varnej plochy, ktorý vie určiť, ktorá varná plocha je práve v činnosti. Pri výbere nádob si treba dať pozor, aby vyhovovali podmienkam pre indukčné varenie.

Kontrola mincí

Zaujímavé je aj využitie magnetickej kontroly mincí v niektorých automatoch. Minca vhodená do automatu prechádza medzi dvomi pólmi magnetu. V masívnej minci sa generujú vírivé prúdy, ktoré následne vytvárajú vlastné magnetické pole. Toto pole spomalí pohyb mince, pričom zmena rýchlosti mince závisí od jej veľkosti.

Maglev

Viaceré štáty sveta sa snažia uviesť do prevádzky moderné rýchlovlaky, ktoré sa pohybujú tesne nad koľajnicami po akomsi magnetickom vankúši. V koľajniciach sú zabudované supravodivé magnety, ktoré vytvárajú vo svojom okolí magnetické pole. Samotný vlak používa namiesto kolies tiež špeciálny systém magnetov. Takéto vlaky sa označujú anglickou skratkou maglev (magnetic levitation – magnetické nadľahčovanie), ktorá sa všeobecne ujala na označenie technológie dopravných systémov založených na tomto princípe.

Vlak typu maglev je poháňaný tzv. lineárnym indukčným motorom. Ide o špeciálny typ elektromotora. Cievky vo vlaku vytvárajú magnetické pole, pričom pozdĺž vlaku sa mení jeho polarita. Toto pole indukuje elektrický prúd v koľajnici, ktorá následne vytvára svoje vlastné magnetické pole. Tieto dve polia na seba navzájom pôsobia, v dôsledku čoho je vlak ťahaný pozdĺž koľajníc.

Zaujímavý je nápad s využitím indukčného motora. Koľajnice, presnejšie povedané konštrukcia, ktorá ich nahrádza, predstavujú stator motora, zatiaľ čo samotný vlak tvorí rotor. Elektrický prúd napája iba stator. Je zrejmé, že pri stúpaní do kopca a zvyšovaní rýchlosti, je potrebné dodať motoru väčšiu energiu ako pri jazde dolu kopcom alebo pri zmenšovaní rýchlosti. Tento princíp pohonu predstavuje akúsi obdobu trojfázového motora, ktorý je akoby roztiahnutý do roviny. Maximálna rýchlosť, ktorú vlaky maglev dosiahli, je vyše 580 km/h, cestovná rýchlosť je však zatiaľ nižšia (okolo 300 km/h). Sprevádzkovanie prvých vlakov na magnetických vankúšoch prinieslo so sebou obavy verejnosti, že sa v ich okolí budú vytvárať silné magnetické polia, ktoré by mohli mať nepriaznivý vplyv na životné prostredie. Viaceré merania však potvrdili, že tieto obavy boli prehnané, pretože v okolí maglevu síce vzniká magnetické pole, ale jeho intenzita je asi 5-krát menšia ako intenzita poľa, ktoré vytvára vo svojom okolí televízor.

Obdivuhodné sú však najmä plány konštruktérov do budúcnosti. Najväčšie švajčiarske mestá by mali byť okolo roku 2030 prepojené podzemnou dráhou, tzv. Swissmetrom. Vlaky využívajúce technológiu maglev by sa mali pohybovať v hĺbke 50 m pod povrchom rýchlosťou okolo 600 km/h. Jazdiť by mali v jednosmerných tuneloch, z ktorých by bol odčerpaný vzduch kvôli zníženiu trenia. O niekoľko desaťročí neskôr by mal na tento projekt nadviazať projekt Eurometro, ktorý by mal prepojiť celú Európu podzemnými rýchlodráhami. To je však zatiaľ hudba ďalekej budúcnosti.

O tomto projekte sa môžete dozvedieť viac a pozrieť si aj krátky dokumentárny film na oficiálnych stránkach Swissmetra http://www.swissmetro.ch/de-projekt-film.html.

Detektor kovov na letisku

Ďalšou zaujímavou praktickou aplikáciou je detektor kovov, s ktorými sa bežne môžete stretnúť na letiskách, vo vládnych budovách alebo v budovách súdu. Detektor kovov na letisku odhaľuje kovové predmety pomocou elektromagnetickej indukcie a vírivých prúdov. Pri kontrole musí pasažier prejsť zariadením, ktoré pripomína kovový rám dverí. Niekoľko cievok je umiestnených v stene tohto zariadenia v rôznych výškach. Na odhalenie kovových predmetov sa využíva tzv. pulzná indukcia.

Cievkami prechádzajú opakovane krátke pulzy elektrického prúdu (rádovo mikrosekundy), ktorých môžu byť stovky alebo tisícky za sekundu. Každý pulz v cievke vytvára časovo premenné magnetické pole. Keď pasažier prejde cez zariadenie, v každom prenášanom kovovom predmete sa indukujú vírivé prúdy. Vírivé prúdy trvajú krátko po každom vstupnom pulze a slabé magnetické pole produkované vírivými prúdmi (pred nasledujúcim pulzom) môže byť detegované, čo môže privolať ochranku alebo spustiť alarm. Cievky detektora sú z vonkajšej strany tienené, aby nemohol alarm spustiť aj náhodný okoloidúci, ale iba osoba, ktorá sa podrobuje kontrole. Dnes je už samozrejmosťou, že aj obchody a knižnice používajú podobné systémy ako prevenciu proti krádežiam. Ak si chcete zhotoviť funkčný model takéhoto zriadenia, môžete sa inšpirovať napríklad na stránke http://www.infovek.sk/predmety/fyzika/pokusy/sch07.htm.

Semafor

Niektoré druhy semaforov dokážu identifikovať prichádzajúce vozidlo. Vo vozovke v blízkosti križovatky sa nachádza ohnutý elektrický vodič, ktorý je spojený s prístrojom riadiacim semafor. Vodičom prechádza prúd. Keď ponad tento vodič prejde nejaké vozidlo, v drôte vznikne vďaka elektromagnetickej indukcii signál, ktorý sa ďalej šíri do riadiaceho prístroja. Ten takýmto spôsobom zaregistruje približujúce sa vozidlo.

Technických aplikácií, ktoré využívajú elektromagnetické javy, by sme určite našli ešte oveľa viac. Naším cieľom bolo ukázať, aký je dosah fyzikálnych teórií na náš praktický život. Každý deň sa stretávame s množstvom prístrojov a technológií, ktoré nám dala veda, a je prirodzené, že nás zaujíma, na akých princípoch fungujú.

Ľubomír Konrád