Induktionsfenomenet och inducerad ström - Lenz lag

Vi vet sedan tidigare att en ström kan alstra ett magnetfält. Man kan ju då börja fundera på om ett magnetfält skulle kunna alstra, eller inducera, en ström? Vi testar på följande sätt:

Vi tar en lång, rak, ihålig spole, dvs. en solenoid, och seriekopplar en amperemeter till den så att vi kan se om det går en ström genom lindningstråden. Vi tar sedan en stavmagnet och låter den närma sig spolen från vänster med nordänden först. Amperemetern ger då utslag, dvs. en ström verkar gå genom lindningstråden.

När stavmagneten sedan stannat inne i spolen så ger inte amperemetern utslag längre, dvs. ingen ström går genom lindningstråden.

Vi drar nu ut stavmagneten ur spolen igen åt vänster. Nu ger amperemetern utslag igen, men i motsatt riktning. Strömmen går alltså åt andra hållet nu.

När magneten sedan stannar så upphör strömmen igen. En första viktig iakttagelse är att det verkar induceras en ström endast då magneten är i rörelse relativt spolen.

Hur kan vi förklara detta?

Först måste vi påminna oss om hur flödeslinjerna kring en stavmagnet ser ut. De går ut ur nordänden och in i sydänden på det sätt vi ser i figuren nedan. Magnetfältet är även starkare ju tätare flödeslinjerna är och vi ser att fältet verkar vara starkare närmare själva polerna än längre ut.

Det innebär att när stavmagneten närmar sig spolen från vänster så upplever spolen ett starkare och starkare högerriktat magnetfält ju närmare magneten kommer spolen. Dvs. spolen upplever ett ökande, dvs. varierande magnetfält och en ström induceras i spolens lindningstråd.

När magneten ligger stilla i spolen så varierar ju inte magnetfältet och det induceras ingen ström.

När vi sedan drar ut stavmagneten ur spolen så upplever spolen ju ett minskande högerriktat magnetfält och en ström induceras återigen i spolen, dock i motsatt riktning.

Slutsatsen vi kan dra är att det verkar induceras en ström i spolen då den upplever ett varierande magnetfält, dvs. magnetfältet måste öka eller minska i styrka. Ett statiskt magnetfält inducerar inga strömmar.

Faradays försök

Det här fenomenet som kallas induktionsfenomenet upptäcktes av Michael Faraday 1831. Vi kommer senare i det här kapitlet att se hur detta sedan ledde till elektrifieringen av vårt samhälle. Upptäckten av induktionsfenomenet räknas därför som en av de viktigaste vetenskapliga upptäckterna någonsin.

Vi ska nu titta närmare på det försök som Faraday utförde.

Han hade en järnring som han lindade två ledningstrådar kring så att de bildar två spolar. Den ena spolen är kopplad till en spänningskälla och kallas primärspole. I denna krets, som kallas primärkrets, finns även en strömbrytare som bryter eller sluter kretsen.

Den andra spolen kallas sekundärspole och är kopplad till en amperemeter. Denna krets kallas sekundärkrets. Det är nu viktigt att notera att dessa två kretsar INTE är sammankopplade. Järnringen är inte inkopplad på något sätt utan är där bara för att förstärka de magnetiska effekterna.

När strömbrytaren slås till så börjar det ju gå en ström $I_p$I_p i primärkretsen och strömmen i primärspolen går från noll till sitt maxvärde på en mycket kort tid. Men vi vet ju även att det alstras ett magnetfält då en ström går genom en ledare och detta gör att det bildas ett magnetfält kring primärspolen.
Eftersom strömmen varierar under detta korta ögonblick så varierar även magnetfältet, dvs. vi har då ett varierande magnetfält. Sekundärspolen befinner sig ju relativt nära primärspolen och känner av detta varierande magnetfält. Magnetfältet förstärks och förmedlas även av järnringen. Detta inducerar en ström $I_s$I_s i sekundärspolen och amperemetern ger utslag.

Men så snart strömmen i primärspolen nått sitt maxvärde så blir ju strömmens värde konstant, dvs. varierar inte längre. Detta gäller då även magnetfältet som denna ström alstrar. Sekundärspolen känner därmed inte längre av ett varierande magnetfält och det induceras inte längre någon ström i sekundärspolen och amperemetern slutar ge utslag.

Nu öppnar vi strömbrytaren igen och primärkretsen bryts. Strömmen i primärkretsen går då från maxvärdet till noll under en viss tid, dvs. vi har återigen en varierande ström. Detta alstrar återigen ett varierande magnetfält i primärspolen som känns av av sekundärspolen varpå det induceras en ström $I_s$I_s i sekundärkretsen under samma korta tid. Amperemetern ger ett kort utslag men nu åt andra hållet, den inducerade strömmen har alltså nu motsatt riktning.

När strömmen sedan nått noll i primärkretsen så alstras inte längre något varierande magnetfält och då induceras inte heller någon ström i sekundärkretsen och amperemetern ger inget utslag.

Lenz lag

Vi ska nu notera något ytterligare. Eftersom det induceras en ström i sekundärkretsen så inducerar även denna ström ett magnetfält kring ledaren. Denna inducerade ström kommer att ha en riktning som är sådan att det magnetfält som den i sin tur alstrar kommer motverka det magnetfält som skapade strömmen, dvs. magnetfältet som alstrades i primärspolen.

Vi sluter kretsen och en ström $I_p$I_p går från plus till minus i primärkretsen. Använder vi högerhandsregeln för spolar så kan vi lista ut att magnetfältet B inuti primärspolen dvs. längs med järnringen blir riktat nedåt. Detta magnetfält följer järnringen och blir då riktat uppåt i sekundärspolen.

Den inducerade strömmen $I_s$I_s i sekundärspolen skapar då ett magnetfält $B_{ind}$B_ind  som motsätter sig förändringen dvs. motsatt det magnetfält som inducerade strömmen vilket blir nedåt i järnringen. För att det ska bli så så måste strömmen $I_s$I_s vara riktad in i sekundärspolen nedifrån och upp. Kontrollera detta själv med högerhandsregeln för strömspolar. När vi slår av strömmen så sker det omvända.

Vi kan alltså lista ut riktningen på en inducerad ström genom vad som kallas Lenz lag: