Zjawisko elektromagnetyzmu

Wstęp — nieoczekiwane odkrycie

Do tej pory magnetyzm i elektryczność wyglądały na dwa zupełnie osobne światy. Magnesy przyciągają żelazo, prąd zasila żarówki — co jedno ma wspólnego z drugim?

Okazuje się, że bardzo wiele. W 1820 roku duński nauczyciel Hans Christian Oersted przeprowadzał na lekcji pokaz z prądem elektrycznym. Przypadkiem obok obwodu leżał kompas. Gdy Oersted włączył prąd, igła kompasu nagle drgnęła i się obróciła! To był jeden z najważniejszych przypadków w historii fizyki — odkrycie, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne.

W tej lekcji dowiesz się:

• na czym polegało doświadczenie Oersteda,
• jak zbudowany jest elektromagnes i od czego zależy jego siła,
• czym elektromagnes różni się od zwykłego magnesu,
• gdzie na co dzień korzystamy z elektromagnetyzmu.

Doświadczenie Oersteda

Powtórzmy odkrycie Oersteda. Nad igłą magnetyczną (kompasem) umieszczamy przewodnik — czyli drut, przez który może płynąć prąd.

• Gdy obwód jest otwarty i prąd nie płynie, igła spokojnie wskazuje północ, tak jak zwykły kompas.
• Gdy zamkniemy obwód i przez przewodnik popłynie prąd, igła natychmiast odchyla się w bok.

Rys. 1. Doświadczenie Oersteda — płynący prąd odchyla igłę magnetyczną.

Skąd ta zmiana? Skoro igła reaguje tak, jakby zbliżył się do niej magnes, to znaczy, że wokół przewodnika z prądem pojawiło się pole magnetyczne. Prąd elektryczny zachowuje się więc trochę jak magnes!

Wniosek Oersteda: Wokół każdego przewodnika, przez który płynie prąd elektryczny, powstaje pole magnetyczne. Ten związek prądu z magnetyzmem nazywamy elektromagnetyzmem.

Jak wzmocnić pole? Zwojnica

Pole magnetyczne wokół pojedynczego prostego drutu jest dość słabe. Ale można je sprytnie wzmocnić.

Jeśli drut nawiniemy w wiele zwojów obok siebie, tworząc zwojnicę (cewkę), pola od poszczególnych zwojów dodają się. Zwojnica z prądem zachowuje się już jak prawdziwy magnes sztabkowy — ma nawet swój biegun N i biegun S!

A gdy do środka zwojnicy włożymy rdzeń z żelaza, pole staje się jeszcze znacznie silniejsze. Tak powstaje elektromagnes.

Elektromagnes

Elektromagnes to magnes, który działa tylko wtedy, gdy płynie przez niego prąd. Składa się z dwóch części:

• zwojnicy — drutu nawiniętego w wiele zwojów, połączonego z baterią,
• rdzenia z miękkiego żelaza — wsuniętego do środka zwojnicy, który wielokrotnie wzmacnia pole.

Rys. 2. Elektromagnes: zwojnica z prądem i rdzeń żelazny tworzą magnes na życzenie.

Siła elektromagnesu nie jest stała — możemy nią sterować. Elektromagnes jest tym silniejszy, im:

• większe natężenie prądu płynie przez zwojnicę,
• więcej zwojów ma zwojnica,
• rdzeń jest wykonany z materiału magnetycznego (żelaza).

Sprawdź to sam — włącz prąd, zmieniaj jego natężenie i obserwuj, ile spinaczy przyciągnie elektromagnes:

Elektromagnes a magnes trwały

Czym elektromagnes różni się od zwykłego magnesu, który znasz z lodówki?

Największą zaletą elektromagnesu jest to, że można go włączać i wyłączać na życzenie — a to otwiera mnóstwo praktycznych zastosowań.

Gdzie używamy elektromagnetyzmu?

Rys. 3. Elektromagnesy w praktyce: dźwig na złomowisku i silnik elektryczny.

• Dźwig elektromagnetyczny na złomowisku podnosi ciężkie stalowe przedmioty, gdy płynie prąd, a upuszcza je dokładnie tam, gdzie trzeba — po wyłączeniu prądu.
• Dzwonek do drzwi — elektromagnes przyciąga młoteczek, który uderza w dzwonek.
• Silnik elektryczny — oddziaływanie magnetyczne wprawia w ruch obracającą się część. To dzięki niemu jeżdżą pociągi, kręcą się wentylatory, działają miksery i hulajnogi elektryczne.
• Głośnik — elektromagnes porusza membraną, która wytwarza dźwięk.
• Zamki elektromagnetyczne w drzwiach — trzymają je zamknięte, dopóki płynie prąd.

Ciekawostka: To samo odkrycie — związek prądu z magnetyzmem — działa też „w drugą stronę". Poruszający się magnes potrafi wytworzyć prąd. Na tej zasadzie działają elektrownie, które dostarczają prąd do naszych domów. Poznasz to dokładniej w starszych klasach.

Zadanie krok po kroku

Mamy elektromagnes, który przy słabym prądzie przyciąga 2 spinacze. Chcemy, żeby przyciągał ich więcej. Co możemy zrobić? Podaj dwa sposoby.

Krok 1. Przypominamy, od czego zależy siła elektromagnesu: od natężenia prądu, liczby zwojów i rdzenia.

Krok 2. Pierwszy sposób: zwiększyć natężenie prądu (np. użyć mocniejszej baterii). Silniejszy prąd → silniejsze pole → więcej przyciągniętych spinaczy.

Krok 3. Drugi sposób: nawinąć więcej zwojów drutu na rdzeń. Więcej zwojów → pola się dodają → silniejszy elektromagnes.

Odpowiedź: Możemy zwiększyć natężenie prądu albo zwiększyć liczbę zwojów zwojnicy (a najlepiej zadbać też o żelazny rdzeń).

Typowe błędy — uważaj!

1. „Elektromagnes działa zawsze, jak zwykły magnes." Nie — elektromagnes jest magnesem tylko wtedy, gdy płynie przez niego prąd. Po wyłączeniu prądu magnetyzm znika.
2. „Prąd nie ma nic wspólnego z magnetyzmem." Ma! Doświadczenie Oersteda pokazuje, że wokół przewodnika z prądem powstaje pole magnetyczne.
3. „Rdzeń elektromagnesu jest niepotrzebny." Żelazny rdzeń wielokrotnie wzmacnia pole — bez niego elektromagnes byłby dużo słabszy.
4. „Siły elektromagnesu nie da się zmienić." Wręcz przeciwnie — możemy ją regulować natężeniem prądu i liczbą zwojów, a nawet zamienić bieguny, zmieniając kierunek prądu.

Podsumowanie

• Doświadczenie Oersteda pokazało, że wokół przewodnika z prądem powstaje pole magnetyczne — prąd i magnetyzm są ze sobą powiązane (elektromagnetyzm).
• Zwojnica z prądem zachowuje się jak magnes; z żelaznym rdzeniem tworzy elektromagnes.
• Siła elektromagnesu rośnie wraz z natężeniem prądu i liczbą zwojów; rdzeń ją wzmacnia.
• Elektromagnes można włączać, wyłączać i regulować — czym różni się od magnesu trwałego.
• Elektromagnesy działają w dźwigach, dzwonkach, głośnikach i silnikach elektrycznych.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i przekonaj się, ile zapamiętałeś — zadania z doświadczenia Oersteda, budowy elektromagnesu, czynników wpływających na jego siłę i zastosowań: Zjawisko elektromagnetyzmu — sprawdź się.

Dalsza lektura

• Magnesy trwałe — bieguny, przyciąganie i odpychanie.
• Pole magnetyczne — linie pola, kompas i magnetyzm Ziemi.