Po odkryciu przez Hansa Christiana Oersteda w 1820 roku, że magnetyzm jest związany z elektrycznością, fizycy poszukiwali zjawiska odwrotnego. Między innymi Michael Faraday postawił sobie za zadanie „zamienić magnetyzm w elektryczność”. Pracował nad tym problemem przez 10 lat. Pracę zakończył pełnym sukcesem w roku 1831 – odkrył zjawisko, które zostało nazwane indukcją elektromagnetyczną. Zjawisko to polega na powstawaniu w obwodzie, jego fragmencie lub po prostu w przewodniku siły elektromotorycznej pod wpływem zmiennego strumienia pola magnetycznego. Jeżeli obwód jest zamknięty, indukuje się w nim prąd elektryczny.

Mechanizm tego zjawiska można objaśnić za pomocą siły Lorentza. Weźmy pod uwagę kawałek prostego pręta metalowego (w którym elektrony mogą się swobodnie przemieszczać) poruszającego się z prędkością $\overrightarrow{v}$ prostopadle do swojej osi i do wektora indukcji jednorodnego pola magnetycznego $\overrightarrow{B}$ (il. 4.2a). Wszystkie elektrony poruszają się wraz z prętem z prędkością $\overrightarrow{v}$ i dzięki temu w polu magnetycznym działa na nie siła Lorentza:

która spycha je na jeden koniec pręta. Ten koniec ładuje się ujemnie, drugi ma niedobór elektronów i jego efektywny ładunek jest dodatni. Zatem w pręcie wytwarza się pole elektryczne, które zapobiega dalszemu przemieszczaniu się elektronów. Siła elektryczna (kulombowska) działająca na elektron wynosi:

Gdy końce poruszającego się pręta zostaną zamknięte obwodem (il. 4.2b), zawierającym na przykład żaróweczkę, to elektrony mogą opuścić pręt od jego strony naładowanej ujemnie. Inne elektrony mogą wtedy wpłynąć do pręta od jego strony dodatniej i zostać przesunięte, za pomocą siły $F_B$, ku końcowi ujemnemu. Widzimy, że siła magnetyczna przemieszcza ładunki wbrew polu elektrycznemu. Wobec tego pole magnetyczne wytwarza w pręcie SEM, tzw. siłę elektromotoryczną indukcji $E_{ind}$. Zgodnie z definicją SEM:

gdzie $W$ jest pracą przeniesienia ładunku $q=e$ wykonaną przez SEM. Stąd $W=e{E}_{ind}$. Pracę tę wykonuje siła $F_B$ w wytworzonym polu elektrycznym na drodze $d$. Zatem:

Ponieważ $F_B=evB$,

Do problematyki przemian energii w zjawisku indukcji elektromagnetycznej wrócimy w rozdziale 4.3. Reguła Lenza, przy omawianiu reguły Lenza.

Zgodnie z przedstawionym tu opisem poruszający się w polu $B$ pręt spełnia w obwodzie rolę źródła prądu, zwanego prądem indukcyjnym. Fizycy wskazali więc drugie zjawisko, po ogniwach galwanicznych, mogące zasilać obwody elektryczne. Na pręt ślizgający się po przewodach obwodu objętego polem magnetycznym można bowiem spojrzeć jak na prototyp prądnicy. Jest ona – w tej wersji – obciążona licznymi wadami, ale po wprowadzeniu właściwych zmian technicznych (polegają one przede wszystkim na zastąpieniu ruchu prostoliniowego ruchem obrotowym) może dostarczać energię elektryczną pod zadanym napięciem i w odpowiednim tempie (z odpowiednią mocą). Konstrukcja prądnic umożliwiła powstanie pod koniec XIX wieku pierwszych sieci przesyłowych energii elektrycznej, co przyczyniło się do upowszechnienia urządzeń elektrycznych w wieku XX.

Pytania i problemy

1. Wyjaśnij, z jakim największym odkryciem kojarzymy nazwisko Faradaya.
2. Wytłumacz, na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej.
3. Zastanów się i powiedz, czy istnieje jakiś związek między siłą Lorentza a indukcją elektromagnetyczną.
4. Wyprowadź równanie opisujące związek między siłą elektromotoryczną indukcji i prędkością metalowego pręta poruszającego się w poprzecznym polu magnetycznym.
5. Dobierz wartości wielkości fizycznych występujących we wzorze (4.5) w taki sposób, by otrzymać prądnicę podającą napięcie rzędu 10 V. Co sądzisz o możliwości działania takiej prądnicy przez czas rzędu jednej godziny?