Lenzův zákon a vířivé proudy

V minulém článku jsme si představili Faradayův indukční zákon v této neúplné podobě:
$$ U_i = \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $$
Magnetický tok je dán součinem magnetické indukce a plochy:
$$ U_i = \frac{\Delta (B \cdot S)}{\Delta t} $$

V předchozím díle, kde jsme vytvořili generátor, jsme měnili plochu cívky, přičemž pole bylo konstantní. Nyní naopak budeme měnit parametry pole – přibližováním a vzdalováním magnetu od cívky. To, že měnící se pole dokáže ve vodiči vytvořit napětí, je zásadní poznatek, na kterém fungují například transformátory. Každopádně nám ještě jeden klíčový poznatek chybí zmínit k Faradayovu zákonu.

Aby byl vztah kompletní, je nutné ho doplnit o tzv. Lenzův zákon. Heinrich Lenz byl Faradayův současník, který se zabýval obdobnými problémy. Jeden takový si ukážeme na experimentu, kde máme zavěšenou uzavřenou cívku na provázku a budeme k ní pohybovat magnetem. Když se magnet k cívce přibližuje, cívka se od něj oddálí. Když magnet vzdalujeme, cívka ho začne „pronásledovat“.

Pokud ovládáte Ampérovo pravidlo pravé ruky, je snadné si odvodit směr proudu v cívce. Pokud se cívka při přibližování odpuzuje, znamená to, že vytváří pole v opačném směru, než je pole magnetu. Ampérovo pravidlo říká: pokud uchopíme cívku tak, že prsty pravé ruky ukazují směr proudu, pak palec ukazuje směr toku magnetického pole. Pravidlo lze i obrátit, když známe směr pole, dáme palec do jeho směru a prsty nám ukážou směr proudu.

Když budeme magnet vzdalovat, tak cívka ho bude „pronásledovat“, znamená to, že se přitahují. Pole v cívce má tedy tentýž směr jako pole magnetu, což znamená, že směr proudu je opačný než v předchozím případě.

Toto chování shrnuje Lenzův zákon:

Indukovaný proud působí proti změně, která ho vyvolala.

Pro lepší pochopení si situaci s přibližováním rozebereme ještě jednou s Lenzovým zákonem na paměti. Když je magnet daleko od cívky, magnetický tok je nulový. Jakmile ho začneme přibližovat, pole v prostoru cívky začne růst. Cívka se této změně brání, indukuje se v ní napětí, potažmo proud, který vytváří magnetický tok v opačném směru.

Naopak, když magnet od cívky oddalujeme, pole v okolí cívky klesá. Cívka opět vzdoruje změně tím, že vytváří pole ve stejném směru jako pole magnetu, snaží se tím zachovat původní stav.

Celé toto chování Lenzova zákone se do Faradayova indukčního zákona promítne jediným znaménkem mínus:
$$ U_i = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $$

Vířivé proudy

Všude, kde máme proměnlivé magnetické pole, ať už v elektrických strojích nebo přístrojích, se tímto způsobem indukují elektrické proudy. Často je to spíš na škodu, protože se nám vlivem těchto proudů ohřívají části strojů, které bychom rozhodně ohřívat nechtěli.

A kde to může být naopak praktické? Třeba v kuchyni. Indukční sporák vytváří rychle se měnící magnetické pole, které indukuje vířivé proudy přímo v pánvičce. Ty se díky odporu materiálu mění v teplo a tak pánev ohříváme bez plamene, bez plotýnky, jen čistou elektromagnetickou elegancí.

Další jednoduchý experiment s vířivými proudy si můžete vyzkoušet i doma. Vezměte si hliníkovou trubku, třeba z alobalu, a pusťte skrz ni silný magnet. Vlivem vířivých proudů se magnet zpomalí. Působí na něj síla opačná ke směru pohybu, která jej brzdí. A teď to zajímavé – můžete si ověřit, jak teplota ovlivňuje odpor hliníku. Když trubku rozehřejete, její elektrický odpor vzroste, což vířivé proudy omezí. Menší proud vyvolá slabší protipole a magnet pak bude méně brzděný. Naopak když strčíte alobal do mrazáku, pohyb padajícího magnetu bude pomalejší.