Inducție electromagnetică „de masă”

© 2025 Nicolae Sfetcu

 

Sfetcu, Nicolae (2025). ”Inducție electromagnetică „de masă””, în Index Academic, I 2025, DOI: 10.58679/IA67348

 

PDF: https://www.indexacademic.ro/pdf/inductie-electromagnetica-de-masa/

HTML: https://www.telework.ro/ro/inductie-electromagnetica-de-masa/

 

Concepte: legea lui Faraday, flux variabil.
Ce faci: bobină ~500–1000 spire (fir subțire) + magnet neodim; muți magnetul în/afară.
Măsori: tensiunea indusă pe multimetru (AC/peak) vs. viteză/spire.
Extinde: redresare pe diodă + LED pâlpâitor (sigur pe baterii).

 

Cuprins

Inducție electromagnetică „de masă”. 1

Rezumat 2

Concepte teoretice fundamentale. 2

Aplicarea legii lui Faraday în experiment 3

Factori care influențează t.e.m. indusă. 4

Descrierea experimentului 4

Echipament și componente principale: 5

Ce se întâmplă în acest experiment 6

Sugestie (efectul vitezei și al spirelor) 7

Sugestii avansate (nivel universitar) 7

Utilizarea osciloscopului 7

Achiziție de date și analiză computerizată. 8

Măsurători cantitative ale fluxului 8

Redresare și stocarea energiei induse. 8

Fișă de laborator 9

Scopul lucrării 9

Obiective operaționale. 9

Noțiuni teoretice (sumar) 9

Aparatură și materiale necesare. 10

Schema de principiu a montajului 10

Mod de lucru – procedură experimentală. 10

Date experimentale și observații 12

Întrebări pentru discuție. 12

Concluzii 13

Bibliografie. 13

 

Rezumat

Lucrarea prezintă un experiment simplu și reproductibil de inducție electromagnetică „de masă”, destinat învățării active a legii lui Faraday și a legii lui Lenz. O bobină cu N≈500–1000 spire și un magnet de neodim sunt utilizate pentru a genera o t.e.m. prin variația fluxului magnetic, măsurată cu multimetru (AC) sau osciloscop. Protocolul include mișcarea axială a magnetului prin bobină și serii comparative care variază viteza, numărul de spire și polaritatea magnetului. Rezultatele evidențiază: (i) apariția impulsurilor de tensiune numai la ∂Φ/∂t≠0; (ii) creșterea amplitudinii t.e.m. odată cu viteza și cu N; (iii) inversarea polarității la schimbarea sensului mișcării ori a polilor, în acord cu legea lui Lenz. Sunt propuse extensii aplicative (redresare cu diode, stocare pe condensator și aprinderea unui LED), precum și piste de cuantificare/modelare (captură de date, integrare numerică). Experimentul validează calitativ și cantitativ transformarea energiei mecanice în energie electrică și oferă o platformă educațională scalabilă de la nivel liceal la universitar.

Cuvinte cheie: inducție electromagnetică, legea lui Faraday, legea lui Lenz, experiment, electromagnetism, energie electrică, fișă de laborator

Concepte teoretice fundamentale

Inducția electromagnetică este fenomenul prin care un câmp magnetic variabil în timp generează o tensiune electromotoare (t.e.m.) într-un circuit electric. Michael Faraday a descoperit experimental acest fenomen în 1831. Unul dintre experimentele sale clasice a fost să miște un magnet (bară) înăuntrul și în afara unei bobine de sârmă și să observe apariția unui curent electric în bobină (Sfetcu 2023). Când magnetul pătrunde în bobină sau este scos din bobină, fluxul magnetic prin suprafața spirelor se modifică rapid, inducând o tensiune electrică (și curent, dacă circuitul este închis).

Legea lui Faraday cuantifică acest fenomen: tensiunea electromotoare indusă  este direct proporțională cu viteza de variație a fluxului magnetic  prin circuit. Matematic, legea se scrie:

unde N este numărul de spire al bobinei (Sfetcu 2023), iar  reprezintă rata de variație a fluxului magnetic prin bobină. Semnul minus indică sensul tensiunii și al curentului indus, conform legii lui Lenz: curentul indus are un sens astfel încât împiedică schimbarea care l-a produs (adică generează un câmp magnetic propriu care se opune variației fluxului inițial) (Sfetcu 2023).

Definiția fluxului magnetic: fluxul  reprezintă “numărul” de linii de câmp magnetic ce străbat o suprafață A (asociată bobinei) (Sfetcu 2023). Dacă magnetul se mișcă față de bobină, se schimbă fie intensitatea câmpului B prin bobină, fie orientarea acestuia (unghiul  ), astfel că fluxul  prin spire variază. Orice schimbare a fluxului magnetic în timp induce o tensiune în circuit (Sfetcu 2023).

Aplicarea legii lui Faraday în experiment

Când magnetul intră în bobină, fluxul prin spire crește, inducând o t.e.m. (și un curent într-un anumit sens). Când magnetul iese din bobină, fluxul scade, inducând o t.e.m. de sens opus (Sfetcu 2023). De asemenea, dacă inversăm polii magnetului (introducem mai întâi polul opus), polaritatea tensiunii induse se inversează (Sfetcu 2023). Mișcarea relativă între magnet și bobină este esențială – nu contează cine se mișcă (magnetul sau bobina), rezultatul depinde doar de variația relativă a fluxului (Sfetcu 2023). Dacă magnetul stă pe loc în interiorul bobinei (flux constant), nu se induce nicio tensiune (Sfetcu 2023).

Figura 1: Ilustrație conceptuală a inducției electromagnetice. Un magnet permanent (cu poli Nord-Sud) este mișcat de-a lungul axei printr-o bobină, generând un curent electric în circuit (indicată de galvanometru). Când magnetul se apropie de bobină, fluxul magnetic prin bobină crește și curentul este indus într-un anumit sens. Când magnetul se depărtează sau iese, fluxul scade și curentul indus își schimbă sensul (deflexia galvanometrului este în direcție opusă). Dacă magnetul este staționar, curentul indus dispare (Sfetcu 2023).

Factori care influențează t.e.m. indusă

Conform legii lui Faraday, magnitudinea tensiunii induse depinde de viteza de variație a fluxului. Astfel:

• Viteza mișcării magnetului (sau bobinei) contează – o schimbare mai rapidă a fluxului induce o t.e.m. mai mare. Un magnet care trece mai repede prin bobină produce o tensiune mai ridicată (Sfetcu 2023). În practică, o viteză de mișcare mai mare a magnetului duce la un vârf de tensiune mai mare (impuls mai scurt, dar mai intens). Dacă magnetul se mișcă lent, tensiunea indusă va fi mai mică.
• Numărul de spire N al bobinei – tensiunea indusă este direct proporțională cu N. O bobină cu mai multe spire va capta un flux magnetic total mai mare și va produce o t.e.m. mai mare, toate celelalte condiții fiind egale (J. P. Hare 2002). Practic, dublând numărul de spire, tensiunea indusă (pentru aceeași variație de flux) aproape se dublează (J. P. Hare 2002).
• Intensitatea câmpului magnetic (forța magnetului): un magnet mai puternic (cu un câmp B mai mare) induce tensiuni mai mari, deoarece produce o variație de flux mai mare prin bobină (J. P. Hare 2002). De aceea, folosirea unui magnet puternic (cum este un magnet de neodim) crește semnificativ t.e.m. indusă.
• Dimensiunea (aria) bobinei: o bobină cu suprafață mai mare interceptează mai multe linii de câmp magnetic, deci un flux mai mare, conducând la o tensiune indusă mai mare (J. P. Hare 2002). Desigur, și magnetul trebuie să fie suficient de mare sau apropiat pentru a „umple” secțiunea bobinei cu câmp magnetic.
• Orientarea și geometria mișcării: Fluxul depinde de unghiul  dintre direcția câmpului magnetic și normală la planul spirei. Pentru eficiență maximă, magnetul trebuie mișcat astfel încât câmpul să pătrundă direct prin bobină (axial). Dacă magnetul ar fi deplasat lateral, variația de flux ar fi mai mică. Mișcarea optimă este de-a lungul axei bobinei (magnet introdus/ extras axial).

Toate aceste aspecte se pot verifica calitativ în experiment. Concluzia teoretică principală: O schimbare rapidă a fluxului magnetic printr-o bobină (prin mișcarea unui magnet) induce o tensiune electrică în bobină, conform legii lui Faraday. Magnitudinea tensiunii depinde de viteza schimbării, de numărul de spire, de aria bobinei și de intensitatea câmpului magnetic, iar direcția tensiunii (curentului) depinde de sensul variației fluxului (legea lui Lenz).

Descrierea experimentului

Ideea de bază: Vom utiliza o bobină de sârmă cu multe spire și un magnet permanent puternic (magnet de neodim) pentru a demonstra inducția electromagnetică. Prin mișcarea magnetului în interiorul bobinei, vom induce o tensiune măsurabilă. În varianta simplă, putem conecta bobina la un multimetru (pentru a măsura tensiunea) sau la un LED (pentru a observa că se produce curent). Pentru analiza detaliată, se poate folosi un osciloscop, care va arăta forma de undă a tensiunii induse.

Echipament și componente principale:

• Bobină: ~500–1000 spire de sârmă subțire izolată (sârmă de cupru emailat). Bobina poate fi realizată manual, înfășurând sârma pe un suport cilindric (de exemplu, un tub PVC de ~3–5 cm diametru sau un tub de carton/plastic). Un exemplu practic este folosirea unui tub de dimensiunea unei cutii de film foto de 35 mm; în jurul acestuia se pot înfășura multe spire de sârmă subțire (J. P. Hare 2002). Un număr ridicat de spire este necesar pentru a obține o tensiune detectabilă – în jur de 500 până la 1000 de spire sunt potrivite pentru a aprinde un LED de mică putere (J. P. Hare 2002). Bobina se poate realiza în mai multe straturi, având grijă să lăsăm capetele libere pentru conexiuni.
• Magnet permanent: cel mai potrivit este un magnet de neodim (rare-earth) de dimensiuni mici-medii, care să poată intra cu ușurință în tubul bobinei. De pildă, un magnet cilindric sau sub formă de disc (diametru ~1–2 cm) este ideal, deoarece are un câmp magnetic foarte intens. În general, cu cât magnetul este mai puternic, cu atât inducția este mai evidentă (J. P. Hare 2002). Magnetul trebuie să fie suficient de mic cât să se poată mișca liber în interiorul bobinei (să nu atingă pereții tubului) (J. P. Hare 2002). Dacă nu este disponibil un magnet neodim, se poate folosi și un magnet ferită (de exemplu, un magnet de difuzor sau un magnet permanent obișnuit), însă tensiunile induse vor fi mai mici.
• Instrument de măsură: ideal un osciloscop pentru a vizualiza forma de undă a tensiunii induse (vezi Secțiunea următoare pentru sugestii universitare). La nivel de liceu, dacă nu este disponibil un osciloscop, se poate folosi un multimetru digital setat pe măsurarea tensiunii AC (alternativ), pentru a obține valoarea eficace aproximativă a tensiunii induse atunci când magnetul este mișcat periodic prin bobină. Un galvanometru sensibil (miliampermetru cu zero central) poate fi folosit de asemenea pentru a observa devierea acului la trecerea magnetului (indicând curentul indus). În lipsa acestor instrumente, chiar și un LED conectat la bobină poate servi ca indicator vizual (LED-ul va clipi în momentele de inducție).

Alte materiale și unelte: un tub suport (PVC sau alt material nemagnetic) pe care se bobinează sârma, bandă izolatoare (pentru fixarea spirelor), conectori (cleme crocodil pentru legarea la aparate), eventual un diodă redresoare și un LED pentru extensia experimentului (generator de curent pentru LED). Pentru măsurarea unor viteze sau comparații, se poate folosi o riglă (ex: în cazul în care lăsăm magnetul să cadă de la diferite înălțimi prin bobină) și eventual un cronometru sau o cameră video cu slow-motion (dacă vrem analiză cantitativă mai avansată). Siguranța nu este o problemă majoră aici, deoarece tensiunile induse sunt mici, însă trebuie avut grijă ca magnetul puternic să nu provoace ciupituri sau să nu se atragă brusc de obiecte metalice din jur.

Figura 2: Schematica experimentală a generatorului electromagnetic de masă. Este ilustrată o bobină cu multe spire de sârmă, realizată pe un cilindru (capacele de plastic ale tubului delimitează bobina). Capetele bobinei sunt conectate la un LED prin intermediul a două cleme metalice (pentru a forma un circuit închis). În interiorul tubului, un magnet permanent cilindric poate aluneca liber între capete. Prin agitarea dispozitivului (mișcarea magnetului înainte și înapoi prin bobină), se induce un curent în bobină care face LED-ul să emită scurte flash-uri luminoase. (J. P. Hare 2002)

Ce se întâmplă în acest experiment

Atunci când introducem rapid magnetul în bobină, observăm o deflexie a acului galvanometrului (dacă este conectat) sau o tensiune indicată de multimetru. Dacă magnetul este scos afară, instrumentul indică o deflexie în sens opus (semn că curentul indus și-a schimbat direcția). În cazul LED-ului, vom vedea o clipire scurtă în momentul în care magnetul traversează bobina (LED-ul se aprinde pe o jumătate de ciclu, deoarece este un dispozitiv polarizat – conduce curentul doar într-un singur sens (André et al. 2021)). La trecerea magnetului într-o direcție, LED-ul poate lumina (dacă polaritatea tensiunii corespunde sensului de conductie al LED-ului), iar la întoarcere LED-ul va lumina fie foarte scurt, fie deloc (dacă tensiunea are polaritatea opusă LED-ului). Putem remedia acest lucru în două moduri: fie conectăm două LED-uri antiparalel (îndreptate în sens invers unul față de celălalt) astfel încât să se aprindă alternativ pe ambele alternanțe de tensiune, fie folosim un LED bicolor (care conține doi semiconductori interni, emițând culori diferite pentru curent în direcții opuse) – astfel vom vedea clipiri de culori diferite când magnetul trece în ambele sensuri.

Sugestie (efectul vitezei și al spirelor)

Pentru a observa influența vitezei și a numărului de spire, se pot face câteva experimente comparative:

Variația vitezei magnetului

Împingeți magnetul prin bobină cu viteză diferită. De exemplu, mișcați-l încet vs. foarte repede. Veți observa că acul galvanometrului deviază mult mai mult (tensiune mai mare) când mișcarea este bruscă și rapidă. O abordare cantitativă este să lăsați magnetul să cadă liber de la diferite înălțimi deasupra bobinei (de ex. de la 10 cm, 20 cm, 30 cm). Cu cât înălțimea de la care cade magnetul este mai mare, cu atât acesta va avea viteză mai mare când trece prin bobină și led-ul va clipi mai intens (André et al. 2021) (sau tensiunea de vârf înregistrată pe osciloscop va fi mai mare). Acest lucru confirmă că tensiunea indusă crește cu viteza de variație a fluxului.

Variația numărului de spire

Dacă aveți la dispoziție bobine diferite (sau puteți modifica bobina), comparați o bobină cu mai puține spire (de exemplu ~200 spire) cu una cu mai multe spire (~800 spire), folosind același magnet și aceeași mișcare. Veți constata că bobina cu mai multe spire induce o tensiune mai mare (posibil LED-ul se va aprinde mai vizibil, sau acul va devia mai mult la galvanometru) (J. P. Hare 2002). Notă: Dacă nu aveți două bobine, puteți realiza una singură cu, să zicem, 1000 de spire, și măsura tensiunea indusă întâi folosind toată bobina, apoi conectați instrumentul doar la, să spunem, jumătate din spire (contact la mijlocul bobinei, obținând efectiv ~500 spire active) și repetați experimentul – tensiunea ar trebui să fie aproximativ pe jumătate.

Schimbarea polarității magnetului

Introduceți magnetul cu polul Nord înainte, observați semnul tensiunii (devierea acului). Apoi repetați introducând magnetul cu polul Sud înainte – veți vedea că semnul tensiunii induse se inversează (Sfetcu 2023). Acest lucru se explică prin faptul că se inversează orientarea câmpului B prin bobină (fluxul crește/decrește în sens opus), deci legea lui Lenz prevede un curent opus.

Aceste observații calitative confirmă pe deplin conceptele teoretice: doar mișcarea (schimbarea fluxului) produce curent, iar factorii precum viteza, numărul de spire și orientarea magnetului influențează amplitudinea și direcția curentului indus (Sfetcu 2023).

Sugestii avansate (nivel universitar)

Experimentul descris poate fi extins și cantitativ sau completat cu metode de măsurare și analiză mai sofisticate, utile la nivel universitar sau pentru o mai bună înțelegere a fenomenului:

Utilizarea osciloscopului

Un osciloscop permite vizualizarea directă a formei de undă a tensiunii induse. Dacă conectăm bobina la osciloscop și apoi mișcăm magnetul, vom observa un impuls bipolar: de exemplu, un vârf pozitiv când magnetul intră și un vârf negativ când magnetul iese (sau invers, depinzând de orientarea magnetului și conexiunile bobinei). Forma exactă a tensiunii induse în timp depinde de modul în care variază fluxul. De exemplu, dacă magnetul cade prin bobină, tensiunea are două maxime de polaritate opusă (coincizând cu intrarea și ieșirea magnetului). Osciloscopul arată că tensiunea indusă are o durată scurtă și o dependență de timp ce reflectă accelerația magnetului (dacă magnetul cade liber, pulsul de tensiune la ieșire are amplitudine mai mare decât cel la intrare, deoarece magnetul se accelerează gravitațional) (André et al. 2021). Cu ajutorul osciloscopului se pot măsura valorile de vârf (peak) ale tensiunii pentru diferite condiții, permițând o analiză cantitativă: de exemplu, să se constate relația aproape liniară între viteza magnetului și tensiunea de vârf indusă. De asemenea, se poate integra numeric semnalul pentru a calcula variația de flux (osciloscopul modern și software-ul permit exportarea datelor pentru analiză).

Achiziție de date și analiză computerizată

În lipsa unui osciloscop dedicat, se pot folosi sisteme alternative: de exemplu, un microcontroler cu convertor analogic-digital (precum un Arduino) conectat la bobină, care să înregistreze tensiunea indusă la un sampling ridicat – astfel se pot obține date pentru trasarea graficelor tensiune-timp. O altă metodă interesantă este utilizarea intrării de microfon a unui calculator/telefon: bobina poate fi conectată (prin intermediul unui circuit de protecție și adaptare) la jack-ul de microfon, iar sunetul generat de magnetul ce trece prin bobină poate fi înregistrat ca un fișier audio; ulterior, forma de undă poate fi vizualizată pe calculator (deoarece tensiunea indusă este alternativă și adesea de ordinul zecilor-sutelor de Hz dacă mișcăm magnetul manual, ceea ce este detectabil audio).

Măsurători cantitative ale fluxului

O activitate suplimentară de nivel mai înalt este încercarea de a modela matematic variația fluxului în funcție de poziția magnetului și de a compara cu rezultatele experimentale. De exemplu, se poate aproxima câmpul magnetului de neodim pe axa sa și calcula fluxul prin bobină în funcție de poziția magnetului (André et al. 2021). Folosind ecuațiile cunoscute (sau un software de simulare, sau chiar un simplu model pe baza legii lui Biot-Savart pentru un magnet mic), se poate prezice forma tensiunii induse atunci când magnetul cade prin bobină. Acest tip de model a fost realizat în literatura de specialitate și produce grafice asimetrice, deoarece magnetul se accelerează când trece prin bobină (André et al. 2021). Astfel de analize oferă studenților de nivel universitar o legătură între teorie (ecuații, derivate) și experiment (forma reală a semnalului).

Redresare și stocarea energiei induse

O extensie practică este realizarea unui circuit redresor pentru tensiunea alternantă produsă. De exemplu, se poate conecta la bobină un pod de diode (4 diode în configurație punte) care să transforme tensiunea alternativă într-una unidirecțională pulsatorie. Conectând în paralel și un condensator electrolitic de capacitate mare (ex: 1000–10.000 µF), pulsurile de tensiune pot fi netezite într-o tensiune DC (constantă) pe o scurtă durată (J. Hare 2002). În acest fel, energia generată de magnet la fiecare trecere prin bobină poate fi acumulată pentru a alimenta un mic consumator. Un exemplu clasic este “lanterna Faraday” – un dispozitiv care se încarcă prin agitare: magnetul care se mișcă prin bobină încarcă un condensator, care apoi alimentează un LED pentru câteva secunde. Pentru eficiență, se folosesc dioade Schottky sau diode cu cădere mică de tensiune (ex: diode germanium OA91) astfel încât pierderile pe redresor să fie minime (o diodă silicon are ~0,6 V cădere, pe când una germanium ~0,2 V; la tensiunile mici induse de generatorul nostru, diferența este importantă) (J. Hare 2002). Studenții pot fi invitați să proiecteze un astfel de redresor și să observe efectul: de exemplu, conectând LED-ul după puntea de diode și condensator, LED-ul nu va mai pâlpâi intermitent, ci va lumina (scurt) mai uniform, deoarece primește curent pe ambele jumătăți de ciclu și și din energia stocată în condensator. Această extensie aduce în discuție diferența dintre curent alternativ (AC) și curent continuu (DC), relevând de ce un LED strălucește intermitent pe AC și cum se poate converti AC în DC (J. P. Hare 2002). De asemenea, oferă oportunitatea de a discuta despre randamentul conversiei energiei mecanice în energie electrică: energia indusă este relativ mică, dar prin optimizări (magnet mai mare, mai multe spire, nucă de fier pentru bobină etc.) se pot obține tensiuni mai mari capabile să alimenteze dispozitive simple (de exemplu, cu un generator manual se pot aprinde becuri LED, încărca dispozitive mici sau, la scară mare, principiul este folosit în dinamuri și generatoare electrice).

În concluzie, experimentul de inducție electromagnetică „de masă” demonstrează direct transformarea energiei mecanice (mișcarea unui magnet) în energie electrică (tensiune și curent indus într-o bobină) (MagLab 2025). Acest principiu stă la baza funcționării generatoarelor electrice și a multor tehnologii moderne. Prin variații simple ale experimentului, se pot înțelege legile lui Faraday și Lenz și factorii de care depinde inducția, de la un nivel calitativ-intuitiv (liceu) până la un nivel cantitativ și aplicativ (universitar).

Fișă de laborator

Scopul lucrării

Evidențierea fenomenului de inducție electromagnetică – generarea unei tensiuni electrice într-o bobină de sârmă prin modificarea fluxului magnetic care o străbate. Se va realiza un generator electric simplu prin mișcarea unui magnet permanent în interiorul unei bobine și se va măsura tensiunea indusă. Se urmărește înțelegerea legii lui Faraday (dependența t.e.m. induse de variația fluxului magnetic) și a legii lui Lenz (sensul curentului indus).

Obiective operaționale

La finalul acestui experiment, elevul/studentul va fi capabil să:

• Explice calitativ legea inducției electromagnetice a lui Faraday și să definească fluxul magnetic;
• Monteze un circuit experimental cu bobină și magnet pentru a demonstra inducția electromagnetică;
• Măsoare tensiunea indusă și să observe factorii care o influențează (viteza mișcării magnetului, numărul de spire al bobinei, orientarea magnetului);
• Identifice sensul curentului indus în funcție de variația fluxului (aplicând legea lui Lenz);
• Propună modalități de creștere a tensiunii induse și să explice rolul unui redresor (diodă/LED) în circuit.

Noțiuni teoretice (sumar)

• Legea lui Faraday: (pentru o spire;  pentru o bobină cu N spire) – tensiunea electromotoare indusă este egală cu viteza de variație a fluxului magnetic care străbate circuitul, cu semn schimbat (minus semnifică opoziția la cauza ce o produce, conform legii lui Lenz) (Sfetcu 2023).
• Fluxul magnetic reprezintă „numărul” de linii de câmp magnetic ce trec prin suprafața spirei; variază dacă se schimbă B, aria sau orientarea relativă ( ).
• Legea lui Lenz: sensul curentului indus este întotdeauna astfel încât opune rezistență schimbării fluxului (ex: când magnetul se apropie și crește fluxul, curentul indus generează un câmp magnetic care se opune creșterii – încetinind magnetul; când magnetul se retrage, curentul are sens opus).
• Inducția electromagnetică este mecanismul prin care energia mecanică (mișcarea unui magnet sau a unei bobine) este convertită în energie electrică (apariția unui curent electric într-un circuit fără sursă de alimentare proprie) (MagLab 2025). Aplicații: generatoare (din centrale electrice), dinamuri de bicicletă, încărcătoare wireless, plite cu inducție etc.

Aparatură și materiale necesare

• Bobină de inducție: ~500–1000 spire de sârmă de cupru izolată (diametru ~0,2–0,3 mm) înfășurate pe un suport cilindric (de ex. tub plastic sau cutie film foto ⌀ ~3 cm). Capetele sârmei bine răzuite de izolație pentru contact.
• Magnet permanent Neodim (recomandat) sau alt magnet puternic, de dimensiuni potrivite pentru a intra liber în interiorul tubului bobinei.
• Multimetru electronic (pentru măsurarea tensiunii AC induse) sau galvanometru sensibil cu zero central (pentru detectarea curentului indus). Opțional: Osciloscop (pentru vizualizarea detaliată a semnalului indus).
• Diodă redresoare și LED + rezistor (opțional, pentru extensie: redresarea tensiunii și observarea luminii LED).
• Conectică: cabluri, cleme crocodil, bandă izolatoare, eventual mufe.
• Riglă și cronometru (opțional, dacă se fac măsurători de viteză prin cădere liberă a magnetului).
• Nu există o limită strictă de timp pentru efectuarea experimentului, dar se recomandă ~1 oră pentru montaj, efectuarea măsurătorilor și discuții.

Schema de principiu a montajului

(Vezi Fig. 2.) Bobina cu N spire este conectată la instrumentul de măsură (multimetru sau galvanometru). Magnetul poate fi introdus manual în bobină sau lăsat să cadă prin interiorul bobinei (dacă tubul este vertical). Dacă se folosește LED, acesta se conectează fie direct la bornele bobinei (va lumina pe o polaritate a tensiunii), fie în antiparalel cu o diodă sau cu un al doilea LED invers (pentru a indica ambele polarități ale tensiunii induse).

Mod de lucru – procedură experimentală

1. Pregătirea bobinei: Dacă bobina nu este deja realizată, înfășurați manual ~500-1000 de spire de sârmă pe suportul ales. Lăsați capete libere (~10 cm) și curățați emailul de pe ultimele 2 cm ale fiecărui capăt de sârmă (cu șmirghel fin) pentru a asigura contactul electric. Fixați sârma cu bandă adezivă pe suport ca să nu se desfășoare.
2. Conectarea circuitului: Atașați capetele bobinei la instrumentul de măsură disponibil:
3. Dacă folosiți multimetru, setați-l pe măsurare tensiune alternativă (AC), gamă sensibilă (mV sau câțiva V). Conectați bornele multimetrului la capetele bobinei (nu contează ordinea, deoarece măsoară valoarea eficace AC).
4. Dacă folosiți galvanometru cu zero central, conectați-l la bobină (sensibilitatea galvanometrului trebuie să fie mare, ideal să detecteze microamperi sau miliamperi – eventual inserați în serie o rezistență mică pentru protecție dacă magnetul e foarte puternic). Așezați galvanometrul astfel încât acul să fie la zero în repaus.
5. Osciloscop (dacă este utilizat): conectați sonda osciloscopului la bobină (cu masa la un capăt și vârful la celălalt capăt al bobinei). Setați osciloscopul la o bază de timp de ordinul 0,1–1 s/div și sensibilitate de ~0,5–1 V/div (ajustați după necesar).
6. LED (opțional, în loc de aparat de măsură): conectați LED-ul direct la capetele bobinei. Observație: LED-ul va permite trecerea curentului doar pentru una din direcțiile tensiunii induse; puteți conecta în paralel (invers polarizat) o altă diodă sau LED pentru a proteja LED-ul principal și a vizualiza ambele alternanțe.
7. Efectuarea experimentului – inducerea tensiunii: Țineți bobina nemișcată (eventual fixați-o într-un stativ vertical). Mutați rapid magnetul în interiorul bobinei și observați indicațiile:
8. Introduceți brusc magnetul într-un capăt al bobinei (aproape până la mijloc) și apoi opriți-l. Notați: deflexia acului galvanometrului (direcția și amplitudinea) sau valoarea de tensiune maximă indicată pe multimetru/osciloscop.
9. Scoateți apoi magnetul rapid din bobină. Observați din nou deflexia sau tensiunea și comparați sensul față de cazul introducerii. Ar trebui să fie invers (galvanometrul se abate în sens contrar, tensiunea are semn opus) (Sfetcu 2023).
10. Repetați de câteva ori mișcarea înainte-înapoi a magnetului prin bobină, eventual ritmic (ca un piston). Dacă folosiți multimetru AC, încercați să mișcați periodic magnetul (ex. de ~2-3 ori pe secundă înăuntru și în afară); multimetru AC va putea înregistra o tensiune efectivă medie (puteți citi pe afișaj câțiva zeci sau sute de mV, în funcție de viteză și spire).
11. Dacă folosiți LED, observați că LED-ul clipeste în momentul mișcării magnetului. Pentru a evidenția ambele polarități, inversați magnetul (polul opus înainte) și vedeți dacă LED-ul mai licărește sau în ce condiții (posibil să clipească la extragere în loc de introducere). (Dacă ați montat un LED bicolor sau două LED-uri antiparalel, veți vedea clipiri de culori diferite la trecerile magnetului în sensuri opuse.)

1. Teste comparative (varierea parametrilor):

1. Viteză diferită: Mișcați magnetul încet prin bobină și apoi foarte repede. Comparați tensiunile induse. Așteptare: mișcarea rapidă produce tensiune mai mare (ac strămutat mai mult, LED mai strălucitor etc.) (André et al. 2021).
2. Număr de spire diferit: Dacă este posibil, folosiți o a doua bobină cu mai puține spire (sau obturați o parte din bobina principală). Repetați introducerea magnetului cu aceeași viteză aproximativ. Așteptare: bobina cu mai puține spire dă o tensiune indusă mai mică decât cea cu multe spire (ex: la jumătate din spire tensiunea scade aproximativ la jumătate) (J. P. Hare 2002).
3. Polaritatea magnetului: Introduceți magnetul cu N în față, apoi separat cu S în față, cu aceeași mișcare. Așteptare: se obține curent indus de sens opus (galvanometrul arată deviere inversă) (Sfetcu 2023), iar un LED unic s-ar aprinde doar la una din inserții (cealaltă polaritate fiind blocată).
4. Poziția de repaus a magnetului: Plasați magnetul la mijlocul bobinei și lăsați-l nemișcat. Observație: nu curge curent, tensiunea indicată este zero (fluxul este constant în timp). Acum deplasați-l ușor stânga-dreapta fără a-l scoate complet – veți obține o mică inducție la fiecare mișcare.

1. Extensie – redresare (opțional): Conectați la capetele bobinei o punte redresoare de 4 diode (sau două diode în configurație dublă alternanță) și un LED (cu rezistor de limitare 100 Ω) pe ieșirea continuă a punții. Agitați magnetul în bobină și observați LED-ul: ar trebui să pâlpâie pe ambele mișcări, eventual mai continuu dacă folosiți și un condensator de filtraj (ex: 1000 µF) pe ieșire. Scopul acestei părți este de a arăta conversia AC->DC și acumularea energiei induse.

Date experimentale și observații

• Notați polaritatea tensiunii induse (spre exemplu, + sau – pe un anumit capăt al bobinei) pentru diferite sensuri de mișcare ale magnetului. Verificați că ele se conformează așteptărilor din legea lui Lenz.
• Înregistrați valori aproximative ale tensiunii induse (de ex: multimetru AC indică ~0.2 V la o agitare lentă și ~1 V la o agitare rapidă a magnetului). Dacă e posibil, folosiți osciloscopul pentru a măsura valoarea de vârf a tensiunii induse la o mișcare dată (și comparați cu valoarea eficace indicată de multimetru).
• Dacă magnetul este lăsat să cadă liber prin bobină, folosiți o cameră video (slow-motion) sau cronometrați intervalul pentru a estima viteza magnetului în bobină. Observați că LED-ul se aprinde mai puternic când magnetul cade de la o înălțime mai mare (viteză mai mare la trecere).
• Observați efectul forței opuse: ținând bobina în mâini, se poate simți o ușoară rezistență/oprire a magnetului când acesta trece (curentul indus generează un câmp care frânează magnetul – un efect al legii lui Lenz). Acest efect devine mai vizibil dacă circuitul bobinei este închis pe o rezistență mică (curent indus mare). Dacă aveți un tub metalic (ex: cupru) puteți observa un fenomen similar: magnetul cade mai încet prin tubul metalic decât prin aer, datorită curenților turbionari induși (fără bobină explicită).

Întrebări pentru discuție

1. De ce nu se induce tensiune când magnetul este staționar în bobină?
2. Cum s-ar modifica rezultatele dacă am folosi un magnet mai slab (ex: magnet obișnuit de fier)? Dar dacă am folosi un magnet mai mare? (Discutați în termeni de flux și t.e.m. indusă.)
3. Explicați rolul numărului de spire în formula . Cum ați obține o tensiune indusă mai mare fără a schimba magnetul sau viteza?
4. În experiment, LED-ul standard se aprinde doar pe o alternanță. De ce? Cum ați modifica montajul pentru a colecta și cealaltă alternanță de curent?
5. Legea lui Lenz indică conservarea energiei. Identificați în experiment cum se manifestă acest principiu (Sugestie: ce se întâmplă cu energia cinetică a magnetului când se induce curent în bobină?).
6. [Pentru nivel avansat] Dacă tensiunea indusă maximă măsurată este, de exemplu, 2 V la 1000 de spire, ce tensiune ați aștepta la 500 de spire în aceleași condiții? Dar la 2000 de spire? (Presupunând același flux per spire.)
7. [Avansat] Un student afirmă: „Nu contează cât de repede mișc magnetul, tensiunea indusă va fi aceeași.” Este corect? Argumentați folosind formula inducției.

Concluzii

În cadrul acestui experiment am demonstrat cu succes inducția electromagnetică. Prin mișcarea unui magnet permanent în interiorul unei bobine, am generat o tensiune electrică observabilă la bornele bobinei (fără nicio altă sursă de energie electrică în circuit). Rezultatele au arătat că tensiunea indusă există doar în prezența unui flux magnetic variabil în timp – magnetul trebuia să fie în mișcare relativă față de bobină pentru a obține o deflexie a galvanometrului sau o tensiune pe multimetru (când magnetul sta pe loc, nu am obținut nimic). De asemenea, am constatat că sensul tensiunii și al curentului indus depinde de sensul mișcării magnetului, conform legii lui Lenz (inversând sensul mișcării sau polaritatea magnetului, deflexia s-a inversat) (Sfetcu 2023). Măsurătorile comparative au confirmat și legea lui Faraday în formă cantitativă: tensiunea indusă este cu atât mai mare cu cât schimbarea fluxului este mai rapidă și cu cât bobina are mai multe spire (am observat creșteri notabile ale semnalului la mișcări mai bruște și la bobine cu mai mulți conductori) (J. P. Hare 2002) (André et al. 2021).

Am discutat posibile îmbunătățiri: utilizarea unui redresor și a unui condensator pentru a acumula energia, precum și aplicații practice ale principiului (de la jucării – lanterna care se încarcă prin agitare – până la generatoare mari de electricitate). Inducția electromagnetică rămâne unul din cele mai importante fenomene din fizică, făcând legătura între electricitate și magnetism și stând la baza conversiei energie mecanică ↔ energie electrică în tehnologia modernă. Experimentul realizat a oferit o confirmare practică a acestor legi și a permis vizualizarea directă a conceptelor teoretice.

Bibliografie

• André, Paulo, Ana Rita Bastos, și Rute Ferreira. 2021. „Faraday’s Law of Induction: From Classroom to Kitchen”. Scienceinschool.Org. https://scienceinschool.org/article/2021/faradays-law-induction-classroom-kitchen/.
• Hare, J. P. 2002. „PERHAPS THE SIMPLEST HOMEMADE ELECTRICAL GENERATOR IN THE WORLD”. https://www.creative-science.org.uk/gensimple1.html.
• Hare, Jonathan. 2002. „DC CONVERTER AND ELECTRICAL STORAGE FOR SHAKE-A-GEN”. https://www.creative-science.org.uk/gensimple2.html.
• MagLab. 2025. „Electromagnetic Induction – Magnet Academy”. https://nationalmaglab.org/magnet-academy/watch-play/interactive-tutorials/electromagnetic-induction/.
• Sfetcu, Nicolae. 2023. „Inducția electromagnetică – Legea lui Faraday”. MultiMedia, februarie 11. https://www.telework.ro/ro/inductia-electromagnetica-legea-lui-faraday/.

PDF: https://www.telework.ro/ro/e-books/inductie-electromagnetica-de-masa/