Ja kādu strāvas kontūru caurvij magnētiskais lauks, tad to fizikālo parādību, ko kontūrā izraisa šis magnētiskais lauks, aprakstīšanai lieto magnētiskās plūsmas Φ jēdzienu. Ja caur kontūru, kura laukums S, perpendikulāri kontūra plaknei darbojas magnētiskais lauks, kura indukcija B, tad Φ = BS, kur
Φ - magnētiskā plūsma, Wb,
B - magnētiskā lauka indukcija, T,
S - kontūra laukums, m2
Magnētisko plūsmu mēra vēberos (Wb). Ja, grafiski attēlojot magnētisko lauku, kas virzās cauri kontūram, izvēlas tik daudz magnētiskā lauka līniju, cik ir magnētiskā lauka indukcijas modulis, tad magnētiskā lauka plūsma ir vienāda ar indukcijas līniju skaitu, kas iet cauri kontūram.
1.att. Magnētiskā plūsma caur kontūru
Kamēr magnētiskā plūsma caur kontūru nemainās, nekādi vērā ņemami elektromagnētiskie procesi nenotiek. Situācija mainās, kad kāda iemesla dēļ notiek magnētiskās plūsmas izmaiņas. Ja izveidojam strāvas kontūru ar vienu kustīgu malu un sākotnējo laukumu S, kurā ieslēgta spuldze (2. att. a), un ievietojam to homogēnā magnētiskajā laukā tā, ka magnētiskā lauka līnijas virzās perpendikulāri cauri kontūra plaknei (2. att. magnētiskā lauka līnijas virzās laukā no lapas), tad magnētiskā lauka plūsma caur kontūru Φ = BS, plūsma ir nemainīga un spuldze nekvēlo Tiklīdz kustīgā kontūra mala laika momentā Δt tiek pavirzīta par attālumu Δx, tā kontūra laukums mainās par ΔS un izmainās arī magnētiskā plūsma: ΔΦ = BΔS. Šī magnētiskās plūsmas izmaiņa izraisa spuldzes iemirdzēšanos (2. att. b). Tas nozīmē, ka kontūrā ir inducējies elektrodzinējspēks E, kas ir atkarīgs no plūsmas izmaiņas ātruma E = ΔΦ : Δt, kur
E - kontūrā inducētais elektrodzinējspēks, V
ΔΦ - magnētiskās plūsmas izmaiņa, Wb
Δt - laika moments, kurā notiek plūsmas izmaiņa, s.
2.att. Kontūrā ar mainīgu laukumu inducējas elektrodzinējspēks
Mainīgu magnētisko plūsmu var nodrošināt ne tikai ar mainīgu kontūra laukumu, bet arī ar mainīgu magnētisko lauku. Ja spolei pieslēdz voltmetru un spoles virzienā bīda stieņa magnētu, tad voltmetrs rāda, ka spolē plūst strāva (3. att. a). Šajā gadījumā kontūra jeb spoles laukums ir nemainīgs, taču mainās magnētiskais lauks, jo, virzot magnētu arvien tuvāk spolei, mainās magnētiskās indukcijas līniju skaits, kas šķeļ spoles vijumus (3. att. b).
3.att. Elektromagnētiskā indukcija spolē
Elektrodzinējspēks inducējas arī metāla stienī, kas ar ātrumu v pārvietojas magnētiskajā laukā (4. att.). Stienim kustoties, tajā esošie brīvie elektroni tiek pakļauti Lorenca spēkam, kas tos novirza uz vienu stienīša galu, līdz ar to otrā galā rodas elektronu iztrūkums un veidojas potenciālu starpība. Inducēto elektrodzinējspēku var aprēķināt, izmantojot formulu E = Bvlsinα, kur
B - magnētiskā lauka indukcija, T,
v - stienīša kustības ātrums, m/s,
l - stienīša garums, m,
α - leņķis starp stienīša ātruma vektoru un magnētiskā lauka indukcijas līnijām, grādos.
4.att. Elektromagnētiskā indukcija vadītāja stienī
Ja magnētiskā lauka intensitātes līnijas nav perpendikulāras strāvas kontūra plaknei, tad, rēķinot magnētisko plūsmu Φ, ir jāņem vērā leņķis, kādā kontūrs ir iešķiebts attiecībā pret magnētiskā lauka līnijām. Strāvas kontūra stāvokli telpā raksturo normāles vektors n, kas ir vērsts perpendikulāri kontūra plaknei (1. att.). Ja vektors n veido leņķi α ar magnētiskā lauka intensitātes līnijām, tad magnētiskā plūsma Φ = BScosα (1. att.).
1.att. Magnētiskā plūsma iešķiebtā kontūrā
Vienā strāvas kontūrā inducētā elektrodzinējspēka vērtību aprēķina, izmantojot formulu E = ΔΦ : Δt. Lai aprēķinātu inducētos EDS spolē, jāņem vērā tas, ka spole sastāv no daudziem kontūriem, kurā katrā inducējas EDS, tādēļ, ja spolei ir N vijumi (2. att. a), tad tajā inducētais EDS E = N · ΔΦ : Δt. Ja magnētiskā lauka indukcijas līnijas nav vērstas spoles ass virzienā (2. att. b), tad inducētos EDS vēl aizvien aprēķina E = N · ΔΦ : Δt, taču šajā gadījumā jāņem vērā, ka, rēķinot magnētiskās plūsmas izmaiņu ΔΦ, jāpatur prātā nolieces leņķis: ΔΦ = ΔBScosα.
2.att. Inducētais EDS spolē ar N tinumiem
Ja spolei pieslēdz voltmetru un vienam spoles galam tuvina magnēta ziemeļpolu, tad spolē sāk plūst strāva (3. att. a). Sadaļā par Magnētisko lauku noskaidrojām: ja spolē plūst strāva, tad tā pārvēršas par magnētu. Šajā gadījumā strāvas virziens spolē ir tāds, ka magnētam tuvākais spoles gals kļūst par magnētisko ziemeļpolu. Tas nozīmē, ka spolē rodas tādā virzienā plūstošā strāva, lai tiktu atgrūsts spoles virzienā tuvinātais magnēts (3. att. a). Ja magnētu sāk attālināt no spoles, tad pēc voltmetra rādījuma redzams, ka strāva sāk plūst pretējā virzienā (3. att. b). Šajā gadījumā magnētam tuvākais spoles gals kļūst par magnētisko dienvidpolu, -- tas nozīmē tādu strāvas plūsmas virzienu spolē, lai tiktu pievilkts magnēts, kas tiek attālināts. To, kādā virzienā plūdīs strāva spolē, var noteikt pēc Lenca likuma.
3.att. Indukcijas strāvas virziens spolē
Lenca likums nosaka to, ka kontūrā inducētajam EDS ir tāds virziens, lai kavētu magnētiskās plūsmas izmaiņu kontūrā. Ja magnēts tiek tuvināts kontūram (4. att. a), tad magnētiskā plūsma caur kontūru pieaug. Tādēļ kontūrā indukcijas strāva plūst pulksteņrādītāja virzienā (4. att.), jo tādā gadījumā tās radītais magnētiskais lauks darbojas pretī tuvinātā magnēta laukam, cenšoties nepieļaut magnētiskās plūsmas izmaiņu. Ja, savukārt, magnētu attālina no kontūra (4. att. b), tad strāva plūst pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Šajā gadījumā inducēto strāvu magnētiskais lauks cenšas magnētisko plūsmu caur kontūru palielināt, jo prom virzošā magnēta dēļ magnētiskā plūsma samazinās.
4.att. Lenca likums nosaka inducētās strāvas plūsmas virzienu
Ja magnētu tuvina metāla gabalam, tad arī šajā gadījumā mainīga magnētiskā lauka ietekmē tiek inducēta strāva. Tā kā šajā gadījumā nav atsevišķa strāvas kontūra, pa kuru strāvai plūst, tad strāvas metāla gabalā veido noslēgtas strāvas cilpas un virpuļus (5. att.), tādēļ tās sauc par virpuļstrāvām. Virpuļstrāvu virziens ir tāds, lai to radītais magnētiskais lauks kavētu magnētiskās plūsmas izmaiņu.
5.att. Virpuļstrāvu rašanās mainīga magnētiskā lauka ietekmē
Ievērojamas virpuļstrāvas rodas masīvās metāla konstrukcijās, kas pakļautas mainīgam magnētiskajam laukam. Sadaļā par magnētiskajiem materiāliem tika noskaidrots, ka, izmantojot feromagnētiskus materiālus, var pastiprināt magnētisko lauku. Šo fizikālo parādību izmanto gan maiņstrāvas elektromotoros, gan transformatoros, tomēr feromagnētiskajā materiālā rodas arī ievērojamas virpuļstrāvas. Šīs virpuļstrāvas uzsilda materiālu, tādā veidā lieki tērējot enerģiju. Lai samazinātu virpuļstrāvu rezultātā radušos elektroenerģijas zudumus, piemēram, transformatoru serdes tiek veidotas no plānām un savstarpēji izolētām feromagnētiķa plāksnītēm, tādā veidā kavējot virpuļstrāvu rašanos. Materiālu uzsilšanu virpuļstrāvu ietekmē iespējams arī praktiski izmantot. Piemēram, indukcijas elektriskajās plītīs katliņš tiek uzsildīts, radot tajā virpuļstrāvas (6. att.). Šādas indukcijas elektriskās plītis sastāv no spoles, kurā tiek ģenerēts mainīgs magnētiskais lauks, un tā rezultātā uz plīts virsmas novietotajā katliņa rodas virpuļstrāvas (6. att.).
6.att. Virpuļstrāvu izmantošana indukcijas elektriskajās plītīs
Virpuļstrāvu rašanos metāliskos objektos izmanto metālu detektoros. Metālu detektora galvenā sastāvdaļa ir zondēšanas spole, ar kuras palīdzību tiek radīts mainīgs magnētiskais lauks (7. att.). Kad mainīgais magnētiskais lauks savā ceļā sastop metālisku objektu, tad metāliskajā objektā tiek radītas virpuļstrāvas. Virpuļstrāvu magnētiskais lauks samazina zondēšanas spoles magnētisko lauku, un šo izmaiņu uztver detektors, kas tālāk dod ziņu ierīces operatoram, ka ceļā ir sastapts metālisks objekts.
7.att. Virpuļstrāvu izmantošana metālu detektoros
Tā kā virpuļstrāvas rodas, pretojoties magnētiskā lauka izmaiņām, tad virpuļstrāvas var izmantot bremzēšanas mehānismos. Virpuļstrāvu bremzes sastāv no diviem diskiem (rotoriem), kas savienoti ar riteņiem un griežas tiem līdzi (8. att.). Starp diskiem ir novietots elektromagnēts, kas sastāv no daudziem tinumiem (stators). Brīdī, kad iedarbina bremžu mehānismu, strāva statora spolēs plūst tā, lai blakus spolēs rastos pretēji vērsts magnētiskais lauks. Šādu magnētisko lauku šķeļ rotējošie rotori, un tajos rodas virpuļstrāvas. Virpuļstrāvu radītais magnētiskais lauks pretojas magnētiskā lauka izmaiņām, tādā veidā nodrošinot rotora un riteņu bremzēšanu. Šādas bremzes nav efektīvas lēnā rotācijas ātrumā, tādēļ bremzēšanas noslēgumā tik un tā lieto mehāniskās bremzes.
8.att. Virpuļstrāvu izmantošana elektromagnētiskajās bremzēs
Elektromagnētisko indukciju var novērot starp divām tuvu novietotām spolēm, no kurām vienu spoli caur slēdzi iespējams pieslēgt strāvas avotam, bet otrai spolei ir pieslēgts ampērmetrs (1. att. a). Ja pirmo spoli pieslēdz strāvas avotam, tad otrās spoles ampērmetrs parāda strāvas impulsu. Tas ir tādēļ, ka, pieslēdzot 1. spoli strāvas avotam, tajā sāk pieaugt plūstošās strāvas stiprums. Šī pieaugošā strāva rada mainīgu magnētisko lauku, kas inducē strāvu 2. spolē. Pēc brīža strāva pirmajā spolē sasniedz maksimālo vērtību, līdz ar to vairs nerodas mainīgs magnētiskais lauks, un inducētā strāva 2. spolē pārtrūkst. Lai palielinātu 2. spolē inducētā EDS vērtību, spoles var uzvērt uz dzelzs serdes (feromagnētiķis).
1.att. Elektromagnētiskā indukcija ar divām spolēm
Apskatīsim, kādu EDS rada magnēts, kas brīvi izkrīt cauri spolei ar N vijumiem (2. att. a). Inducētā EDS grafikā redzams, ka inducētā EDS grafiks iet kā pa kalniem un lejām (2. att. b). Laika posmā AB magnēts krīt spoles virzienā, bet posmā BC magnēts jau ir izkritis cauri spolei un attālinās no tās (2. att. b) Posmā BC inducētais strāvas EDS ir negatīvs, jo magnētam, attālinoties no spoles, magnētiskā plūsma samazinās, līdz ar to EDS tiek inducēts pretējā virzienā. Ja zem EDS līknes izdala joslu Δt platumā (2. att. b), tad šīs joslas laukums ir vienāds ar magnētiskās plūsmas ΔΦ izmaiņu laika momentā Δt. Laika periods AB ir lielāks par laika periodu BC, jo magnēts kustas paātrināti. Laika momentu atšķirību kompensē maksimālās EDS vērtības. Tā kā posmā BC magnēts kustas ātrāk, tad arī tiek inducēts liekākas vērtības EDS E2, salīdzinot ar maksimālo EDS vērtību E1posmā AB (2. att. b).
2.att. Brīvi krītoša magnēta radītais EDS
Lai iegūtu harmonisku un nepārtrauktu inducēto EDS, var lietot strāvas rāmīti, kas griežas magnētiskajā laukā (3. att.). Šādā gadījumā inducēto EDS var aprakstīt ar sinusa vai kosinusa funkciju, un tā ir maiņstrāva, kam periodiski mainās EDS virziens. Lai iegūtu līdzstrāvu, var izmantot divus paņēmienus. Viens paņēmiens ir maiņstrāvu izlaist caur pusvadītājdiodi un iegūt līdzstrāvu.
3.att. Maiņstrāvas ģenerators
Otrs paņēmiens ir par ģeneratoru izmantot līdzstrāvas motoru (4. att.), kas tika apskatīts sadaļā par Magnētiskajiem spēkiem. Ja strāvas avota vietā ievieto ampērmetru, tad, griežot rāmīti, var redzēt, ka sistēmā tiek ražota līdzstrāva. Līdz ar to sanāk, ka līdzstrāvas motors un līdzstrāvas ģenerators ir ar vienādu uzbūvi, tikai vienā gadījumā sistēmai tiek pievienots EDS avots un panākta rotācijas kustība, bet otrajā gadījumā, griežot rotoru, tiek panākta EDS inducēšana.
4.att. Līdzstrāvas ģenerators un līdzstrāvas motors
Līdzstrāvas ģeneratori tiek izmantoti, piemēram, pārnēsājamos kabatas lukturos, lai samazinātu atkarību no regulāras bateriju maiņas. Mobilajiem telefoniem un citām mobilajām ierīcēm iespējams iegādāties lādētāju, kas darbināms ar rokas līdzstrāvas motoru, ja nu gadās uz ilgāku laiku nonākt vietā, kur nav iespējams mobilo ierīci uzlādēt no tīkla. Arī velosipēdu strāvas ģenerators ir līdzstrāvas ģenerators (5. att.)
5.att. Velosipēda līdzstrāvas ģenerators
Elektromagnētiskajai indukcijai ir liela nozīme mūzikā: gan mūzikas atskaņošanā, gan arī mūzikas radīšanā. Lielākā daļa skaļruņu darbojas uz fizikālā principa, ka skaļruņa spolē plūst mainīga elektriskā strāva, kas inducē mainīgu magnētisko lauku. Inducētā magnētiskā lauka ietekmē tiek kustināta skaļruņa membrāna un radīta skaņa. Mūzikas instrumentos, piemēram, elektriskajās ģitārās (6. att. a) skaņa rodas elektromagnētiskās indukcijas rezultātā. Zem katras stīgas atrodas magnēts, kas ir ietverts spoles tinumos (6. att. b). Stīgas svārstības rada mainīgu elektromagnētisko lauku, kas spolēs inducē signālu, kas tālāk tiek apstrādāts un padots uz skaļruņiem.
6.att. Elektromagnētiskā indukcija elektriskajā ģitārā