Induktionsfenomenet och inducerad ström - Lenz lag

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

Vi tar en lång, rak, ihålig spole, en så kallad 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, en ström verkar gå genom lindningstråden.

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

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

När magneten sedan stannar upphör strömmen återigen. 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 från 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 upplever spolen ett starkare och starkare högerriktat magnetfält ju närmare magneten kommer spolen. Spolen upplever ett varierande, i det här fallet ökande, magnetfält och en ström induceras i spolens lindningstråd.

När magneten ligger stilla i spolen varierar inte magnetfältet, och det induceras därför ingen ström.

När vi sedan drar ut stavmagneten ur spolen upplever spolen återigen ett varierande, den här gången minskande högerriktat, magnetfält och en ström induceras i spolen, i motsatt riktning.

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

Faradays försök

Det här fenomenet kallas induktion och 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 absolut viktigaste vetenskapliga upptäckterna.

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

Kring en järnring lindas två ledningstrådar 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 börjar det gå en ström  $I_p$I_p  i primärkretsen, och strömmen i primärspolen går från noll till sitt maxvärde på en mycket kort tid. Vi vet att det alstras ett magnetfält då en ström går genom en ledare, och detta gör att det bildas ett magnetfält i primärspolen. Eftersom strömmen varierar under detta korta ögonblick (från noll till max) varierar även magnetfältet. Magnetfältet förstärks och förmedlas  av järnringen, vilket gör att sekundärspolen känner av detta varierande magnetfält.  Detta inducerar en ström  $I_s$I_s  i sekundärspolen, och amperemetern ger utslag.

Men så snart strömmen i primärspolen nått sitt maxvärde är strömmens värde konstant och varierar inte längre. Detta gäller då även magnetfältet som alstrades av denna ström. Sekundärspolen känner därmed inte längre av ett varierande magnetfält och det induceras inte längre någon ström i sekundärspolen. Amperemetern slutar att ge utslag.

Nu öppnar vi strömbrytaren igen och primärkretsen bryts. Strömmen i primärkretsen går då från maxvärdet till noll under en kort tid, och vi har återigen en varierande ström. Detta alstrar återigen ett varierande magnetfält i primärspolen, som sekundärspolen känner av, 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 alstras inte längre något varierande magnetfält, och då induceras inte heller någon ström i sekundärkretsen, och amperemetern ger inget utslag.

Vi ska nu notera något ytterligare. Eftersom det induceras en ström i sekundärkretsen 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 kan vi lista ut att magnetfältet  $B$B  inuti primärspolen, dvs längs med järnringen, blir riktat uppåt. Detta magnetfält följer järnringen och blir då riktat nedåt i sekundärspolen.
(Ritningarna hos magnetfälten  $B$B  och  $B_{ind}$B_ind  i järnringen är fel i videon. Vi jobbar på att lösa detta.)

Den inducerade strömmen  $I_s$I_s  i sekundärspolen skapar då ett magnetfält  $B_{ind}$B_ind  som motsätter sig förändringen. Det får en riktning som är motsatt det magnetfält som inducerade strömmen, vilket blir uppåt i järnringen. För att det ska bli 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 sker det omvända.

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