Induktion och generatorer
Induktion är nästan motsatsen till vad en elektromagnet gör. I en elektromagnet skapar strömmen ett magnetfält. Vid induktion är det tvärtom: ett magnetfält som ändras skapar en elektrisk spänning. Håll en magnet stilla intill en spole kopplad till en voltmeter, och ingenting händer. Men för magneten snabbt in och ut genom spolen, och voltmetern visar ett utslag så länge magneten rör sig.
Ju snabbare magnetfältet genom spolen ändras, desto högre blir den inducerade spänningen, och fler varv i spolen ger också högre spänning eftersom varje varv bidrar med sitt eget lilla tillskott. Ligger magneten och spolen helt stilla i förhållande till varandra uteblir spänningen helt, hur starkt fältet än är – det är förändringen som räknas, inte styrkan i sig.
En generator utnyttjar detta för att omvandla rörelseenergi till elektrisk energi i stor skala. En spole roterar inne i ett magnetfält, så att flödet genom spolen hela tiden ändras, vilket ger en spänning som växlar mellan positiv och negativ varje halvt varv – det är så växelström uppstår. En cykeldynamo är en liten generator: när hjulet snurrar roterar en magnet förbi en spole och lampan lyser, och ju snabbare du trampar, desto högre blir spänningen. I ett kraftverk gör vattnet, vinden eller ångan exakt samma jobb, bara i mycket större skala, och driver de generatorer som förser elnätet med elektrisk energi.
Spänningens storlek ges av ε = N · ΔΦ / Δt, där ε är den inducerade spänningen i volt, N är antalet varv i spolen, och ΔΦ/Δt är hur snabbt det magnetiska flödet genom spolen ändras, mätt i weber per sekund. Riktningen ges av Lenz lag: den inducerade strömmen går alltid så att den motverkar den flödesändring som orsakade den. En induktionshäll bygger på samma princip, men utan rörliga delar: en spole under hällytan skapar ett snabbt växlande magnetfält, som inducerar strömmar direkt i en järn- eller stålkastrull och värmer den, medan hällytan själv förblir förhållandevis sval.
Formel
ε = N · ΔΦ / Δt
Storleken på den inducerade spänningen ε (volt). N är antalet varv i spolen, Φ är det magnetiska flödet genom ett varv i weber, och ΔΦ/Δt är hur snabbt flödet ändras under tiden Δt i sekunder. Riktningen ges av Lenz lag: den inducerade strömmen motverkar flödesändringen. Därför skrivs lagen ibland med minustecken, ε = −N · ΔΦ / Δt.
Det här lär du dig
- Förklara vad som krävs för att inducera en spänning i en spole
- Beskriva hur en generator omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi
- Räkna ut inducerad spänning med formeln ε = N · ΔΦ / Δt
- Jämföra elektromagnetism och induktion som motsatta processer
- Ge exempel på induktion i cykeldynamo, kraftverk och induktionshäll
Begrepp att kunna
- induktion
- Processen där ett magnetfält som ändras genom en spole skapar en elektrisk spänning i spolen.
- inducerad spänning
- Den elektriska spänningen som uppstår i en spole när magnetfältet genom den ändras. Betecknas ofta ε och mäts i volt.
- magnetiskt flöde
- Ett mått på hur mycket magnetfält som går genom en yta, betecknat Φ och mätt i weber (Wb). Det är förändringen i flödet som ger induktion.
- generator
- En maskin som omvandlar rörelseenergi till elektrisk energi genom att en spole och ett magnetfält roterar i förhållande till varandra.
- cykeldynamo
- En liten generator på en cykel som inducerar spänning till belysningen när hjulet roterar.
Vanliga svårigheter
Tror att en stillastående magnet nära en spole ger spänning
Det räcker inte att ett magnetfält finns där, hur starkt det än är. Det måste ändras för att inducera en spänning. En magnet som ligger helt stilla intill en spole ger noll volt, medan samma magnet i rörelse genast ger ett utslag.
Blandar ihop elektromagnetism och induktion
De är varandras motsatser. Vid elektromagnetism skapar en ström ett magnetfält. Vid induktion skapar ett ändrat magnetfält en spänning, som i sin tur kan driva en ström. En elmotor bygger på det första, en generator på det andra.
Tror att en enkel generator ger likström
En spole som roterar i ett jämnt magnetfält får flödet att växla riktning varje halvt varv, så den inducerade spänningen växlar mellan positiv och negativ. Resultatet är växelström, precis som en enkel elmotor utan kommutator inte skulle rotera jämnt åt ett håll.
I verkligheten
En cykeldynamo tänder framlampan när du trampar
Hjulets rotation snurrar en liten magnet förbi en spole inuti dynamon. Flödet genom spolen ändras hela tiden och inducerar spänningen som driver lampan. Trampar du snabbare ändras flödet snabbare och den inducerade spänningen blir högre.
En induktionshäll värmer upp en stekpanna utan att hällytan själv blir särskilt varm
En spole under glaset skapar ett snabbt växlande magnetfält som inducerar strömmar direkt i pannans järn- eller stålbotten. Det är strömmarna i pannan, inte hällen, som gör uppvärmningen. En kastrull av koppar eller aluminium blir däremot knappt varm på en vanlig induktionshäll, eftersom metallen inte är magnetisk och leder ström så bra att värmeutvecklingen i den blir liten.
Tips
- Koppla en spole med många varv till en multimeter och för en stark magnet snabbt in och ut genom spolen. Jämför med att bara hålla magneten stilla inuti spolen, så ser du direkt att det är rörelsen som ger utslaget.
- Håll isär orsak och verkan: i en elektromagnet ger strömmen fältet, vid induktion ger det ändrade fältet spänningen. Säg det högt för dig själv varje gång du är osäker på vilken riktning som gäller i en uppgift.
- Testa en handvevad generator eller en cykeldynamo kopplad till en voltmeter och veva i olika hastigheter. Koppla direkt det du ser till formeln ε = N · ΔΦ / Δt, och fundera på vilken del av formeln som ändras när du vevar snabbare.
Testa dig själv
1. Det magnetiska flödet genom en spole med 50 varv ändras jämnt med 0,020 Wb under 0,10 s. Hur stor blir den inducerade spänningen?
ε = N · ΔΦ / Δt = 50 · 0,020 / 0,10 = 10 V. En snabbare förändring eller fler varv skulle ge en högre spänning.
2. Varför ger en stark magnet som ligger helt stilla intill en spole ingen inducerad spänning?
Induktion kräver att magnetfältet genom spolen ändras, inte bara att det finns. En stillastående magnet skapar ett konstant fält utan förändring, och utan förändring finns ingen inducerad spänning, oavsett hur starkt fältet är.
3. Vad händer med den inducerade spänningen i en generator om rotationshastigheten fördubblas, allt annat lika?
Spänningens toppvärde dubbleras. En snabbare rotation gör att det magnetiska flödet genom spolen ändras dubbelt så snabbt, och enligt ε = N · ΔΦ / Δt ger det dubbelt så hög inducerad spänning. Dessutom blir växelspänningens frekvens dubbelt så hög.
Ur kursplanen
- Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Sambandet mellan elektricitet och magnetism samt mellan ström och spänning i elektriska kretsar. Hur kretsarna kan användas i elektrisk utrustning.
- Fysik nivå 2 · Energi, energiresurser och elektromagnetism
Elektriska och magnetiska fält samt samband mellan dessa. Induktion samt tillämpningar av växelström i generatorer och transformatorer.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Träna vidare – gratis
Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: