Elektromagnetisk induksjon

Historie

Den engelske vitenskapsmannen Michael Faraday (1791 – 1867) holdes for å være oppdageren av elektromagnetisk induksjon, selv om amerikaneren Joseph Henry oppdaget fenomenet omtrent samtidig. Fra før hadde italieneren Alessandro Volta og franskmannen André-Marie Ampère gjort undersøkelser rundt elektrisitet og magnetfelter. Ampère hadde blant annet oppdaget at enhver elektrisk leder er omgitt av magnetiske felter. I 1820 oppdaget den danske vitenskapsmannen Hans Christian Ørsted at en elektrisk leder som holdes opp i nærheten av en kompasnål vil påvirke denne. Dette var første gang at noen skjønte at det var en sammenheng mellom elektrisk strøm og magnetisme. Faraday fikk høre om dette i 1821 og startet da undersøkelser av fenomenet. Han oppdaget at det var mulig å få en magnet til å bevege seg i sirkel rundt en strømførende leder. Videre oppdaget han at en elektrisk leder også kunne beveget seg i sirkel rundt en magnet. Oppdagelsen regnes for å være den første demonstrasjonen av prinsippet bak en elektrisk motor.
Den 20. august 1831 oppdaget Faraday at om en ledersløyfe utsettes for et varierende magnetisk felt vil det oppstå en spenning i den. Et kjent eksperiment han utførte var å viklet to ledere rundt en jernring (torus). Lederne var elektrisk isolert fra hverandre, og det var mange vindinger for hver av lederne. Endene av disse tilknyttet han til henholdsvis et batteri og et galvanometer for å måle spenningen. Ved å koble strømmen fra batteriet til den ene viklingen så han at det oppstod en spenning i den andre viklingen som var tilknyttet galvanometret. I september samme år fortsatte han med eksperimenter der han greide å lage en kontinuerlig elektrisk strøm. Dette gjorde han ved å la en skive av kobber rotere i et magnetfelt fra en hesteskomagnet, se bilde til høyre. Til skivens senter og perifere var det tilknyttet ledere som kan kobles til en ekstern krets. Med dette apparatet ble det indusert en likestrøm.
Selv om disse apparatene ikke fikk noen praktisk nytte i sin samtid, ga eksperimentene en stor økning av den teoretiske forståelsen av magnetisme og elektrisitet. Den 24. november 1831 og 12. januar 1832 skrev han to artikler for Royal Society om sine forsøk. Her ble loven som beskriver  sammenhengen mellom elektrisitet og «magnetoelektrisk induksjon» gjort kjent. Denne loven er kjent som Faradays lov. Senere i 1832 fant han ut at elektrisitet som ble indusert av en magnet, fra et batteri (Volta søyle) og eller frembrakt ved statisk elektrisitet, er den samme.
Etter Faradays eksperimenter ble det gjort mange oppdagelser, samt forsøk på å konstruere  maskiner som kunne utnytte induksjon til praktiske formål. Blant annet ble det utviklet elektriske motorer og senere generatorer, men ingen som kunne produsere mer enn noen få Watt. Ikke før i 13. september 1838 kunne den den tyske-jødiske ingeniøren og fysikeren Moritz Hermann von Jacobi demonstrere en elektrisk motor som kunne drive en båt med passasjerer. Først i 1870-årene ble det utviklet generatorer og motorer for likestrøm som hadde praktisk nytte. I 1880-årene ble generatorer for likestrøm tatt i bruk kommersielt i større skala, først og fremst til gatebelysning.
Faradays laget en teori om kraftlinjer i bevegelse mellom legemer med elektriske og magnetiske egenskaper. Russeren Emil Lenz arbeidet også med disse problemstillingene på samme tid, og er kjent for sin lov om retningen til den induserte spenningen og strømmen.
Senere formulere den britiske vitenskapsmannen Maxwell en nøyaktig matematisk teori om forplantning av elektromagnetiske bølger i rommet. Dermed ble grunnlaget for radiokommunikasjon lagt. Denne teorien sammenfattes i fire ligninger kjent som Maxwells ligninger. Dette ble senere bekreftet eksperimentelt i 1888 av tyske Heinrich Hertz, og utviklet for praktisk bruk av italieneren Guglielmo Marconi på slutten av 1800-tallet.

Lenz' lov

Lenz' lov sier at:
Retningen av den induserte spenningen er slik at den motvirker sin årsak.
Årsaken til induksjon kan være et varierende magnetfelt (som i eksemplet med den roterende strømsløyfen) eller bevegelse av lederen som danner en sløyf (som i avsnittet over), eller en kombinasjon av begge. Hvis det i en stasjonær strømsløyfe oppstår en indusert strøm vil denne også sette opp et magnetfelt, dette magnetfelt vil ha en retning slik at det motvirker endringen av det opprinnelige feltet. Om det opprinnelige magnetfeltet øker vil det nye ha motsatt retning. Omvendt vil et magnetfelt som svekkes, og som er opphav til en indusert strøm møtes av et magnetisk felt i samme retning. Den induserte strømmen har en slik retning at det setter opp et magnetfelt som motvirker endring av feltet.
I tilfelle med staven som beveget seg i et magnetfelt langs skinner vil den induserte strømmen i staven ha en retning slik at kraften som virker på ladningene blir motvirket. En kraft må til for å bevege staven langs skinnene, og det er denne kraften som blir motvirket av induksjon. Med andre ord må det en energikilde til for å dra staven langs skinnene, på samme måte må det også må en energikilde til for å rotere en strømsløyfe rundt i et magnetisk felt (som i en generator).
Lenz' lov sier at status quo blir forsøkt oppretthold. Dessuten er loven relatert til energiprinsippet, altså at energi ikke skapes eller forsvinner, men omformes.