Michael Faraday pečlivě prováděl pokusy týkající se nejen elektrického a magnetického pole. Vyrobil si cívku s mnoha závity. Tehdy ještě neexistovaly izolované dráty, a proto musel pečlivě po každé vrstvě drátu navinout pruh papíru. Celkem na svou cívku namotal 12 vrstev. Spojil zvlášť konce lichých vrstev a konce sudých vrstev. Získal tak dvě cívky. Vývody jedné cívky připojil ke galvanometru a vývody druhé cívky ke galvanickým článkům.
Michael Faraday.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.
Očekával, že silné magnetické pole primární cívky bude ovlivňovat druhou cívku. K jeho velkému zklamání se nic nedělo. Nezjistil tedy proudovou indukci. Všiml si ale, že při každém zapnutí a vypnutí vypínače v primárním obvodu dochází k vychýlení ampérmetru opačným směrem, než je směr proudu v primárním obvodu. Faraday nazval tento jev voltaická indukce. Od srpna do října roku 1831 provedl Faraday další tři experimenty.
- Vytvořil soustavu dvou cívek na společném železném prstenci. Když pak do jedné přivedl přes spínač elektrický proud z baterie, tak se magnetka (rovnoběžně umístěná pod vodorovným drátem spojujícím konce druhé cívky) vychýlila a poté se vrátila do původní polohy. Po přerušení proudu v první cívce se magnetka vychýlila na opačnou stranu a vrátil a zpět.
Soustava dvou cívek navinutých na železném prstenci.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
- Při druhém pokusu zasouval do cívky tyčový magnet. Při vsouvání magnetu zjistil výchylku na jednu stranu, při vysouvání na opačnou stranu. Jakmile pohyb magnetu zastavil, vrátila se magnetka do původní polohy. Přitom je lhostejné, zda pohybujeme magnetem nebo cívkou.
- Pro třetí pokus zhotovil měděný kotouč, jehož obvod a osa byly pomocí klouzavého kontaktu vodivě spojeny drátem, pod nímž se nacházela indikační magnetka. Když kotoučem otáčel v magnetickém poli magnetu, pozoroval výchylku magnetky v jednom směru; když směr otáčení změnil, přešla výchylka magnetky v opačnou.
Faraday nazval tento jev magnetoindukce. Brzy zjistil, že oba jevy jsou stejného původu a nazval je elektromagnetická indukce. Celých 10 let Faradayovi trvalo než 21. srpna 1831 odhalil podmínky, za nichž takový děj nastane, a svoji hypotézu experimentálně potvrdil. Matematicky jeho zákony formuloval v roce 1845 Franz Ernst Neumann. Mezi základní čtyři zákony elektromagnetického pole jev zařadil James Maxwell.
Základní podmínkou pro vznik elektromagnetické indukce je proměnné magnetické pole, které nazýváme nestacionární. Můžeme je vytvořit tak, že v blízkosti vodiče pohybujeme s magnetem, v blízkosti magnetu pohybujeme vodičem v uzavřeném obvodu bez proudu nebo měníme proud v elektromagnetu. Magnetické pole, které se s časem nemění, se nazývá stacionární. Můžeme si je představit tak, že položíme vedle sebe magnet a vodič. Ve vodiči nevznikne žádný elektrický proud.
Heinrich Lenz několik let po Faradayovi experimentoval s vodivými kroužky a magnetem. Provedl pokus, kdy prudce zasunul do lehkého vodivého kroužku tyčový magnet, kroužek se vychýlil ve směru pohybu magnetu. To znamená, že magnet kroužek odpuzoval, kroužek se choval jako magnet orientovaný k tyčovému magnetu stejným pólem. Když naopak magnet z kroužku vysunul, vychýlil se kroužek opět ve směru pohybu magnetu, tzn. že byl magnetem přitahován. Příčinou pohybu kroužku je vznik indukovaného proudu, který vytváří v okolí kroužku magnetické pole. Magnetické indukční čáry tohoto pole jsou však orientovány opačně než indukční čáry magnetu. Jestliže naopak magnet vysouváme, vzniká indukovaný proud opačného směru a indukční čáry magnetického pole kroužku jsou orientovány shodně s magnetem.
Lenz formuloval celý jev jako Lenzův zákon: Indukovaný elektrický proud v elektrickém obvodu má takový směr, že svým magnetickým polem působí proti změně magnetického pole, která vyvolala indukovaný proud. K určení směru indukovaného proudu můžeme použít toto pravidlo: Na pravé ruce vztyčíme palec, ukazováček a prostředník tak, aby na sebe byly navzájem kolmé. Pak ukazováček ukazuje směr siločar magnetického pole, palec směr pohybu vodiče a prostředníček směr indukovaného proudu.
Pro vyjádření indukovaného napětí Ui zavedeme veličinu magnetický indukční tok Φ v magnetickém poli o magnetické indukci B je magnetický indukční tok plochou o obsahu S, k níž je vektor B kolmý, definován vztahem Φ = BS. Jednotkou této veličiny je weber, značka Wb. Podle Lenzova zákona elektromagnetické indukce vyvolá časově proměnné magnetické pole ve vodiči indukované napětí určené vztahem
kde ΔΦ je změna magnetického indukčního toku za dobu Δt. Znaménko minus odpovídá Lenzovu zákonu, podle kterého má indukované napětí takovou polaritu, že odpovídající indukovaný proud svými účinky působí proti změně, která ho vyvolala. Z definice magnetického indukčního toku vyplývá, že změny jeho velikosti lze dosáhnout změnou magnetické indukce nebo změnou plochy, kterou procházejí kolmo magnetické indukční čáry.
Praktické použití Faradayova objevu je pro současný průmysl nedocenitelné. Umožňuje výrobu střídavého proudu.
