"Az" indukciótörvény
Az indukciós jelenségek mindegyike értelmezhető a Faraday-féle indukciótörvénnyel, mely a mágneses fluxusváltozás körül indukálódó örvényes elektromos mező örvényerősségével fogalmazza meg mondandóját:
\[\mathrm{Ö_E}=\sum \vec{E}\cdot \Delta \vec{s}=U_{\mathrm{i}\ \circlearrowright}=-\frac{\Delta \mathit{\Phi }}{\Delta t}\]
Legyünk őszinték: amikor az emberi egyedfejlődés során (a kamaszkori zűzavar mélypontján, a 16. életévben) előkerül fizika órán az "elektromágneses indukció", akkor a legtöbb tini a fenti törvényt meglehetősen elvontnak találja, ezért a fizikatanításban - amikor csak lehetséges - az indukciós jelenségeket megpróbáljuk könnyebben elképzelhető, jobban emészthető módon tárgyalni, a Lorentz-erő segítségével. Azokat a jelenségeket, amelyekben ez lehetséges, azokat mozgási indukciónak hívjuk, a többi indukciós jelenséget pedig nyugalmi indukciónak (és ezeket kénytelenek vagyunk a fenti, "elvont" Faraday-tórvénnyel leírni).
A mozgási indukció
Amikor a vonatkoztatási rendszerünk minden pontjában időben állandó a mágneses mező, (vagyis az azt jellemző \(\vec{B}\) indukcióvektor) és ebben az állandó mágneses mezőben egy elektromosan vezető anyagból készült tárgy (fémdrót, fémrúd, dróttekercs) mozog, olyankor a jelenség a Lorentz-erő segítségével is tárgyalható, ezeket a jelenségeket hívjuk mozgási indukciónak. Például az állandó mágneses mezőben (megfelelő módon) mozgatott drótban a Lorentz-erő mozgásba hozza az elmozdítható töltéseket (az elektronokat) a drót mentén, így abban áram indul meg:
A jobbkézszabály alapján könnyen értelmezhető, hogy milyen irányú elektromotoros erő keletkezik, azaz milyen irányú áram indukálódik. Ugyanezt fluxusváltozással végiggondolni nehézkesebb (bár mindig lehetséges).
A nyugalmi indukció
Vannak azonban olyan esetek, amikor a mágneses mező nem állandó, hanem változik. Vagy azért, mert egy állandómágnes mozog, vagy pedig mert egy elektromágnes áramerősségét változtatjuk. Ilyenkor a (szemléletes) Lorentz-erőn alapuló tárgyalás nem alkalmazható, ezért kénytelenek vagyunk az absztraktabb Faraday-törvényt, a másodpercenkénti fluxusváltozást használni. Ezeket a jelenségeket hívjuk nyugalmi indukciónak.
Most akkor jó ez a kettősség, vagy nem?
Ennek a "pedagógiai indíttatású" szétválasztásnak az előnye, hogy ahol lehet, ott könnyebben elképzelhető magyarázattal élhetünk, valamint az elnevezés időnként valóban szemléletes, például a transzformátor nyugalmi indukcióval működik, és benne tényleg nincs mechanikai mozgó alkatrész. De a szétválasztásnak vannak hátrányai is:
- a relativitáselmélet szerint mindegy, hogy az álló tekercshez képest mozog a mágnes, vagy pedig az álló mágneshez képest mozog a tekercs; az elektromágneses jelenség ugyanaz lesz, vagyis ez a szétvélasztás a relativisztikus szemléletnek "nem ágyaz meg"
- az indukció mozgási és nyugalmi változatainak elnevezései nem mindig szemléletesek, hiszen nem pontosan attól lesz mozgási az indukció, hogy ott valami mozog. Például - furcsa módon - nyugalmi indukciónak számít, amikor az állandómágnes mozog a nyugvó tekercshez képest.
- a legegyszerűbb generátor (az állandómágnes mágneses mezejében forgó tekercs) a fentiek alapján mozgási indukció, viszont Lorentz-erős tárgyalással elég hosszadalmas, bonyolult végiggondolni az egyes drótszakaszoknál ébredő Lorentz-erőket, és ezeket összegezve kihozni az egy menet mentén indukálódó körfeszültséget. Ennél pont az a szemléletesebb megközelítés, ha annyit mondunk, hogy a tekercs $A$ felületének a mágneses mezőre merőleges \(A_{\bot}\) komponense a forgás miatt folyamatosan változik (ahogy az alábbi animáció a merőleges felületet kék színnel kihangsúlyozza), ezért a tekercsen áthaladó mágneses fluxus (a mágneses erővonalak száma) is folyamatosan változik, amiből a Faraday-törvénnyel könnyen megkapható az indukálódó feszültség:
De lássuk a dolog jó oldalát is: nem haszontalan, ha ugyanazt a jelenséget megtanuljuk máshogyan is látni és másképpen is végiggondolni. Az angolszász fizikaoktatásban egyébként nincs kétféle indukció, a "mozgási indukció"-nál ugyan használják a "motional emf" (motional electromotive force, mozgási elektromotoros erő) kifejezést, viszont "nyugalmi indukció" fogalom arrafelé (a rothadó Nyugaton) nincs, hanem csak egységesen "electromagnetic induction" használatos.