W cewce nie ma baterii, a mimo to dioda LED błyska za każdym razem, gdy wsuniesz do niej magnes. W 1831 roku Michael Faraday odkrył to zjawisko i w jednej chwili otworzył drogę do prądnic, transformatorów i całej nowoczesnej energetyki.

Co nam będzie potrzebne?

  • cienki drut miedziany w izolacji lakierowej (0,2–0,4 mm), ok. 30–50 m
  • rurka kartonowa po papierze toaletowym lub plastikowa rurka o średnicy ok. 3 cm
  • silny magnes neodymowy walcowy o średnicy mniejszej niż średnica rurki
  • dioda LED (najlepiej czerwona lub zielona, niskoprądowa) albo multimetr z zakresem miliwoltów
  • drobny papier ścierny do zdjęcia lakieru z końcówek drutu
  • taśma klejąca

⚠️ Uwaga: Magnesy neodymowe są bardzo silne — potrafią boleśnie przyciąć skórę i zniszczyć się przy zderzeniu. Trzymaj je z dala od telefonów, kart płatniczych i rozruszników serca, a młodszym dzieciom nie zostawiaj ich bez opieki.

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przymocuj taśmą jeden koniec drutu do rurki, zostawiając ok. 15 cm wolnego końca. Zacznij nawijać zwoje ciasno, jeden obok drugiego, w jednym kierunku. Nie musisz nawijać idealnie, ale zwoje nie mogą się plątać ani rozwijać. Dobrym celem jest 300–500 zwojów, co zajmie kilkanaście minut; im więcej zwojów, tym większe napięcie.

Krok 2: Zakończ nawijanie, zostawiając drugi wolny koniec o długości ok. 15 cm, i zabezpiecz całość taśmą. Oba końce drutu pokryte są lakierem, który izoluje, więc oczyść papierem ściernym po 1–2 cm każdego z nich, aż zalśni miedź.

Krok 3: Podłącz końce cewki do nóżek diody LED, owijając je wokół nich i skręcając. Dioda przewodzi tylko w jedną stronę, więc jeśli nic się nie dzieje, odwróć ją później. Możesz też podłączyć multimetr ustawiony na najniższy zakres napięcia stałego.

Krok 4: Wrzuć magnes do rurki i wyjmij go, a potem wsuwaj i wysuwaj gwałtownie, tak jak tłok w pompce. Dioda powinna słabo błyskać, a miernik wychylać się to w jedną, to w drugą stronę. Zauważ, że wychylenia są tylko wtedy, gdy magnes się porusza. Gdy zatrzymasz go w środku cewki, odczyt spada do zera, choć magnes jest tuż obok.

Krok 5: Porównaj kilka prób: poruszaj magnes wolno i szybko, odwróć go biegunami do dołu, a potem wsuwaj z drugiej strony. Notuj, jak zmienia się wychylenie miernika lub jasność diody.

Wyjaśnienie naukowe

Prąd w cewce pojawia się dlatego, że zmienia się strumień pola magnetycznego przenikającego przez jej zwoje. Prawo Faradaya mówi, że wytworzone napięcie jest proporcjonalne do szybkości zmian tego strumienia i do liczby zwojów. Dlatego nieruchomy magnes nie daje żadnego efektu, a szybki ruch daje większe napięcie niż wolny. Kierunek prądu opisuje reguła Lenza: prąd indukowany płynie tak, by jego własne pole magnetyczne przeciwstawiało się zmianie, która go wywołała. Gdy wsuwasz magnes, cewka „odpycha" go, a gdy wysuwasz, „przytrzymuje". Odczujesz to jako niewielki opór — to energia twojej ręki zamienia się w energię elektryczną, więc zasada zachowania energii jest zachowana.

Faraday dokonał odkrycia w sierpniu 1831 roku w Royal Institution w Londynie, owijając żelazny pierścień dwiema cewkami: po włączeniu prądu w jednej z nich w drugiej pojawiał się krótki impuls. Zrozumiał, że liczy się zmiana, nie sam obecny strumień. Podobne obserwacje, niezależnie od niego, poczynił w USA Joseph Henry. Jednostką indukcyjności jest dziś henr, a jednostką pojemności faradem. Dzięki tym badaniom James Clerk Maxwell mógł kilkadziesiąt lat później zapisać pełną teorię elektromagnetyzmu, z której wynika istnienie fal radiowych i światła jako fali elektromagnetycznej.

Zjawisko to leży u podstaw niemal całej produkcji prądu. W elektrowni turbina, napędzana parą, wodą lub wiatrem, obraca magnesy wewnątrz cewek (albo cewki w polu magnesów) i w uzwojeniach generowane jest napięcie przemienne. Na indukcji działają też transformatory, w których zmienny prąd w jednym uzwojeniu wywołuje napięcie w drugim, a także ładowarki bezprzewodowe, kuchenki indukcyjne i hamulce wiroprądowe w pociągach. Nasza dioda zapala się słabo, bo ręka porusza magnes wolno w porównaniu z turbiną, ale zasada jest dokładnie ta sama. Dla porównania: w elektromagnesie z gwoździa prąd wytwarza pole magnetyczne, a tutaj zmienne pole magnetyczne wytwarza prąd — dwie strony tej samej symetrii.

Warianty

Latarka bez baterii. Włóż magnes do dłuższej, zamkniętej z obu stron rurki i nawiń cewkę na jej środku. Dodaj mostek prostowniczy (cztery diody) i kondensator o pojemności kilku tysięcy mikrofaradów, a potem potrząsaj rurką. Po kilkudziesięciu sekundach kondensator naładuje się na tyle, by przez chwilę zasilić diodę LED. W handlu tak działają latarki na wstrząsanie.

Spadający magnes i reguła Lenza. Upuść magnes neodymowy przez rurkę miedzianą (np. kawałek rury instalacyjnej) i drugi, niemagnetyczny przedmiot o tej samej wielkości. Magnes spada wyraźnie wolniej, bo w ściance rury indukują się prądy wirowe, które go hamują. To dokładnie ten sam mechanizm, który działa w hamulcach wiroprądowych.

Zależność od liczby zwojów. Nawiń drugą cewkę o połowie zwojów i porównaj wychylenia miernika przy takim samym ruchu magnesu. Napięcie powinno być mniej więcej o połowę mniejsze. Zobaczysz też, że wpływ ma siła magnesu — dwa sklejone magnesy dadzą większy sygnał.

Zobacz też, jak para magnes–przewodnik działa w odwrotną stronę w silniku homopolarnym , oraz jak magnesy oddziałują bez prądu w karuzeli z magnesów .

Często zadawane pytania

Dlaczego dioda błyska tylko wtedy, gdy ruszam magnesem? Napięcie w cewce zależy od szybkości zmian strumienia magnetycznego, a nie od samego strumienia. Gdy magnes stoi, strumień jest stały, więc zmiana wynosi zero i nie ma napięcia. Dlatego każdy generator potrzebuje ruchu, na przykład obrotu.

Dlaczego dioda świeci tylko przy jednym kierunku ruchu magnesu? Podczas wsuwania i wysuwania magnesu napięcie indukuje się z przeciwnymi znakami, czyli w cewce płynie prąd przemienny. Dioda LED przewodzi tylko w jednym kierunku, więc zapala się przy jednym z nich. Aby wykorzystać obie połowy ruchu, można podłączyć dwie diody przeciwsobnie lub użyć mostka prostowniczego.

Czy to doświadczenie wystarczy do ładowania telefonu? Niestety nie, bo moc uzyskana z ręcznego poruszania magnesem to ułamki miliwata. Telefon potrzebuje kilku watów, czyli tysiące razy więcej. Prawdziwe generatory, takie jak dynamo rowerowe, mają wiele zwojów, silne magnesy i wirnik, który obraca się setki razy na minutę, dlatego dają użyteczną moc.