Am văzut deja cum câmpurile electrice și magnetice sunt strâns legate, căci ceea ce un observator vede ca fiind un tip de câmp, un alt observator, într-un sistem de referință diferit, vede ca fiind un amestec al ambelor câmpuri.
Dar relația merge chiar mai profund decât atât. Figura 1, de mai jos, arată un exemplu care nu implică nici măcar două sisteme de referinţă diferite. Acest fenomen al câmpurilor electrice induse, câmpuri care nu apar ca urmare a sarcinilor, a fost o realizare pur experimentală a lui Michael Faraday (1791-1867), fiul unui fierar care a trebuit să lupte împotriva structurii rigide a claselor sociale din Anglia secolului al XIX-lea.
Faraday, în 1831, nu avea decât o idee vagă că electricitatea și magnetismul erau legate între ele, pe baza demonstrației lui Oersted efectuate cu un deceniu înainte, conform căreia câmpurile magnetice sunt generate de curenții electrici.
Figura 1 este un desen simplificat al experimentului, așa cum este descris în publicaţia originală de Faraday: "Două sute trei picioare de sârmă de cupru... era înfăşurată în jurul unui bloc mare de lemn; încă două sute trei picioare de sârmă similară au fost interpuse între spiralele primei sârme, cu un element izolator între ele. Una dintre aceste bobine a fost conectată un galvanometru [voltmetru], iar celălalt cu o baterie. Când s-a realizat contactul, s-a observat un mic efect imediat asupra galvanometrului și a existat un efect similar şi când contactul cu bateria a fost întrerupt. În timp ce curentul continua să treacă prin cea bobină, niciun efect nu a putut fi observat asupra celeilalte bobine, deși puterea bateria s-a dovedit a fi excelentă, încălzind bobina".
Figura 1. Experimentul lui Faraday, simplificat şi realizat cu echipament modern
Din notele şi publicaţiile lui Faraday rezultă că acesta a fost surprins de situaţia din figura 1/3, iar acesta s-a gândit că va fi o surpriză şi pentru cititor. De aceea a oferit dovezi că încă era curent electric în bobină, pentru a arăta că bateria încă funcţiona. Efectul de inducţie a avut loc de-a lungul scurtului timp de care a fost nevoie pentru ca câmpul magnetic al bobinei negre să se manifeste (figura 1/2). Şi mai contraintuitiv, obţinem un efect, la fel de puternic, dar în direcţia opusă, atunci când se deschide circuitul (se întrerupe circulaţia curentului în circuit, în în figura 1/4). Efectul apare doar când câmpul magnetic se modifică.
Ce măsurăm noi, în fapt, cu voltmetrul? Un voltmetru nu este altceva decât un rezistor cu element ataşat pentru măsurarea curentului care trece prin el. Curentul nu va "curge" prin rezistor până nu va exista un câmp electric care să "împingă" electronii, aşa că tragem concluzia că o modificare a câmpului magnetic produce un câmp electric. Cum firul alb nu este un conducător perfect, trebuie că există câmpuri electrice în acesta, de asemenea. Aspectul remarcabil în legătură cu circuitul format de firul alb este că pe măsură ce electronii se deplasează, aceştia sunt în mod constant împinşi de câmpurile electrice. Asta este ca şi cum câmpul electric ar forma o formă de vârtej.
Principul inducţiei
Orice câmp magnetic variabil în timp va crea un câmp electric.
Câmpul electric indus este perpendicular pe câmpul magnetic şi formează un model circular în jurul acestuia.
Orice câmp electric variabil în timp va crea un câmp magnetic.
Câmpul magnetic indus este perpendicular pe câmpul electric şi formează un model circular în jurul acestuia.
Prima parte a fost observată de Faraday pe când efectua experimentul. Relaţia geometrică este ilustrată în figura 2. În experimentul lui Faraday câmpul magnetic era orientat de-a lungul axei bobinei, câmpul electric indus descriind un model circular în jurul circumferinţei blocului.
Figura 2. Geometria câmpurilor induse. Câmpul indus tinde să formeze un model de vârtej. Observaţi cum câmpurile induse se deplasează în direcţii opuse.
Experimentul realizat de Faraday privind inducţia. Bateria lichidă (dreapta) asigură curent care se deplasează prin bobina mică (A), creând un câmp magnetic. Când bobinele sunt staţionare - nu se induce curent electric. Când bobina mică este deplasată în interiorul şi în afara bobinei mari (B), fluxul magnetic din bobina mare se schimbă, inducând curent electric, care este măsurat cu ajutorul galvanometrului (G)
Inducţia electromagnetică. O introducere
(subtitrare în lb. engleză)
Generatorul electric
Un generator simplu, ca în figura 3, constă dintr-un magnet permanent care se roteşte în interiorul unei bobine. Magnetul este rotit de un motor ori o manivelă. Pe măsură ce magnetul se roteşte, câmpul magnetic se modifică. Această modificare a câmpului magnetic are ca efect producerea unui câmp electric, care descrie o mişcare circulară. Acest câmp electric creează curent electric care se deplasează de-a lungul firului bobinei - şi putem folosi acest curent pentru a aprinde becul.
Figura 3. Generator
Putem ţine becul aprins la nesfârşit, generând o mişcare de rotaţie în magnet şi lăsându-l apoi să se rotească singur, violând legea conservării energiei? Nu. Să rotim magnetul necesită energie. Dacă întrerupem circuitul, va deveni mai uşor să rotim magnetul, pentru că, în fapt, curentul electric din fir generează câmp magnetic, iar acest câmp exercită un cuplu asupra magnetului. Dacă am opri manivela care roteşte magnetul, acesta s-ar opri rapid din mişcare, ca urmare a acestei forţe exercitate de câmpul magnetic ale firului.
Transformatorul
Pentru o companie este mai eficient să distribuie curentul electric de-a lungul liniilor electrice folosind curenţi scăzuţi şi voltaje mari. Cu toate acestea, nu vrem ca prizele noastre să funcţioneze la 10.000 de volţi! Pentru acest motiv, companiile din domeniul electricităţii vor utiliza un dispozitiv numit "transformator", ca cel din figura 3, pentru a transforma curentul electric din firele electrice de înalt voltaj în curenţi mari cu voltaj mic.
Bobina de intrare creează un câmp magnetic. Transformatoare funcţionează cu curent electric alternativ, câmpul magnetic creat fiind în continuă schimbare. Acest câmp magnetic induce un câmp electric, care generează un curent electric de-a lungul firului bobinei.
Figura 4. Transformator
Cum câmpul electric este circular, un electron poate primi tot mai multă energie deplasându-se în cadrul acestuia. Aşa că voltajul de ieşire poate fi controlat prin reducerea numărului de înfăşurări al bobinei de ieşire. Legea conservării energiei ne garantează că cantitatea de putere la ieşire trebuie să fie egală cu cea de la intrare, adică
curentul-la-intrare x voltajul-la-intrare = curentul-la-ieşire x voltajul-la-ieşire
Asta înseamnă că indiferent de factorul de modificare al voltajului, curentul va creşte cu acelaşi factor. Este analog cu un levier. Cu o bară poţi ridica un bolovan greu, dar să ridici bolovanul un centimetru, poate fi nevoie să muţi capătul pe care-l acţionezi cu un metru. Avantajul forţei vine cu dezavantajul distanţei.
Cum funcţionează un transformator?
Scântei, ca indicator al stocării energiei în câmpul magnetic
Scoate din priză o veioză când aceasta este pornită şi observă priza. Vei vedea o scânteie albastră la momentul scoaterii întrerupătorului din priză.
Aceasta este o dovadă că, în fapt, câmpurile conţin energie. Undeva pe stradă este un transformator, care este conectat la circuitul veiozei. Când veioza este scoasă băgată în priză şi pornită, circuitul este închis, iar curentul electric circulă prin circuit. Când curentul circulă prin bobinele transformatorului - se formează un câmp magnetic; când există sarcină electrică în mişcare, există şi câmp magnetic. Pentru că există un număr mare de înfăşurări pe bobine, câmpul magnetic este puternic, stocând un pic de energie.
Când tragi veioza din priză, circuitul este deschis şi curentul se opreşte. Odată curentul electric dispărut, nu mai există câmp magnetic, ceea ce înseamnă că acea energie stocată în câmpul magnetic dispare. Legea conservării energiei ne spune că dacă o anumită cantitate de energie dispare, ea trebuie să reapară într-o altă formă. Acea energie produce scânteia. Odată ce scânteia dispare, energia rămâne sub forma de căldură în aer.
Două conexiuni între câmpurile electric şi magnetic
Avem acum două conexiuni între câmpul magnetic şi câmpul electric. Una se referă la inducţie, cealaltă este ideea că în conformitate cu teoria relativităţii, observatori din sisteme de referinţă diferite trebuie să observe în mod diferit modul în care se combină câmpurile electric şi magnetic.
Pe timpul lui Faraday teoria relativităţii era la 70 de ani de apariţie, aşa că nu existau conceptele relativiste. Dar, în fapt, ideea relativistă referitoare la sistemele de referinţă are o conexiune logică cu ideea de inducţie.
Figura 4 reprezintă un exemplu bun care poate fi interpretat în ambele moduri. Observatorul A este în repaus în raport cu magneţii şi vede particula deplasându-se în direcția z, aşa cum ar trebui, conform regulei mâinii drepte. Să ne imaginăm că observatorul B se deplasează la dreapta pe axa x, iniţial cu aceeaşi viteză pe care o are particula. Observatorul B vede magneţii deplasându-se către stânga, iar particula în stare de repaus iniţial, iar apoi accelerând de-a lungul axei z în linie dreaptă.
Figura 5. Observatorul A vede o particulă încărcată pozitiv care se deplasează într-un câmp magnetic, presupus a fi uniform, între cei doi poli ai magnetului. Forţa rezultantă de-a lungul axei z curbează traiectoria particulei.
Nu e posibil pentru un câmp magnetic să mişte o particulă care se află în stare de repaus, căci magnetismul este interacţiunea dintre sarcini aflate în mişcare. Observatorul B ajunge la concluzia de neocolit că există un câmp electric în zonă, care este orientat de-a lungul axei x.
Cu alte cuvinte, ceea ce observatorul A vede drept câmp electric, observatorul B vede un amestec de câmp magnetic şi câmp electric. Este ceea ce ne-am aştepta, pe baza relativităţii, dar şi pe baza principiului inducţiei. În sistemul de referinţă al observatorului B nu există, iniţial, niciun câmp magnetic, dar apoi o pereche de magneţi creează unul. Asta reprezintă o modificare a câmpului magnetic, aşa că principiul inducţiei prezice că trebuie să existe şi un câmp electric.
— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
CUPRINS
6.3.a. Inducţia electromagnetică
