Pole magnetyczne prądu

Wstęp — z prądu można zrobić magnes

Znasz już magnesy trwałe: kawałek metalu, który sam przyciąga żelazo. Ale istnieje drugi, o wiele ważniejszy dla techniki sposób wytworzenia magnetyzmu — przepływ prądu elektrycznego.

Okazuje się, że wokół każdego przewodnika, przez który płynie prąd, powstaje pole magnetyczne. Gdy prąd płynie — pole jest; gdy prąd wyłączymy — pole znika. To odkrycie połączyło ze sobą dwa działy fizyki: elektryczność i magnetyzm. Dlatego mówimy o elektromagnetyzmie.

Na tym opierają się dzwonki do drzwi, dźwigi magnetyczne na złomowiskach, głośniki, dyski twarde i — przede wszystkim — silniki elektryczne, które napędzają wszystko od hulajnóg po pociągi.

W tej lekcji poznasz:

• doświadczenie Oersteda — dowód, że prąd wytwarza magnetyzm,
• jak wygląda pole magnetyczne wokół przewodnika i wokół zwojnicy,
• regułę prawej dłoni do wyznaczania biegunów,
• budowę i zastosowania elektromagnesu oraz zasadę działania silnika elektrycznego.

Doświadczenie Oersteda

W 1820 roku duński fizyk Hans Christian Oersted podczas wykładu zauważył coś zaskakującego. Gdy obok kompasu (igły magnetycznej) przepuścił prąd przez przewodnik, igła kompasu wychyliła się — ustawiła się w poprzek przewodnika.

To był przełom: skoro igła magnetyczna reaguje na prąd tak samo jak na magnes, znaczy to, że płynący prąd wytwarza wokół siebie pole magnetyczne.

Wniosek z doświadczenia Oersteda. Wokół przewodnika, przez który płynie prąd, powstaje pole magnetyczne. Bez prądu igła kompasu wskazuje północ; po włączeniu prądu igła się wychyla.

Rys. 1. Doświadczenie Oersteda: bez prądu igła wskazuje północ (po lewej), a po włączeniu prądu wychyla się w poprzek przewodnika (po prawej). Prąd wytwarza pole magnetyczne.

Co ważne — im większe natężenie prądu, tym silniejsze pole magnetyczne i tym mocniej wychyla się igła.

Pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

Jak wygląda to pole? Linie pola magnetycznego wokół prostego przewodnika z prądem tworzą współśrodkowe okręgi — okrążają przewodnik ze wszystkich stron.

• Blisko przewodnika linie są gęste — pole jest silne.
• Dalej od przewodnika linie są rzadsze — pole słabnie.

Kierunek tych okręgów zależy od tego, w którą stronę płynie prąd. Do jego wyznaczenia służy reguła prawej dłoni.

Reguła prawej dłoni (dla przewodnika). Chwytamy przewodnik prawą dłonią tak, aby kciuk wskazywał kierunek płynięcia prądu. Wtedy zgięte palce pokazują kierunek linii pola magnetycznego wokół przewodnika.

Rys. 2. Wokół przewodnika z prądem linie pola magnetycznego są okręgami. Regułą prawej dłoni: kciuk = kierunek prądu, zgięte palce = kierunek pola.

Zwojnica (solenoid) — jak wzmocnić pole

Pojedynczy przewodnik daje słabe pole. Ale gdy zwiniemy przewód w wiele zwojów (uzwojenie, cewka, zwojnica), pola od poszczególnych zwojów dodają się. Powstaje silne pole, bardzo podobne do pola magnesu sztabkowego.

Zwojnica ma wtedy własny biegun północny (N) i biegun południowy (S) — dokładnie jak zwykły magnes! Ale jest jedna zasadnicza różnica:

• Magnes trwały jest magnesem zawsze.
• Zwojnica jest magnesem tylko wtedy, gdy płynie przez nią prąd. Wyłączamy prąd — magnetyzm znika.

Bieguny zwojnicy również wyznaczamy regułą prawej dłoni:

Reguła prawej dłoni (dla zwojnicy). Obejmujemy zwojnicę prawą dłonią tak, aby zgięte palce wskazywały kierunek płynięcia prądu w zwojach. Wtedy odchylony kciuk pokazuje biegun północny (N) zwojnicy.

Rys. 3. Zwojnica z prądem wytwarza pole jak magnes sztabkowy, z biegunami N i S. Regułą prawej dłoni kciuk wskazuje biegun północny.

Od czego zależy siła pola zwojnicy?

Zwojnicę można wzmocnić na trzy sposoby:

1. Większe natężenie prądu $I$ — im silniejszy prąd, tym silniejsze pole.
2. Więcej zwojów $n$ — im więcej zwojów przewodu, tym silniejsze pole.
3. Rdzeń z żelaza — włożenie do środka rdzenia ze stali miękkiej (żelaza) wielokrotnie wzmacnia pole.

Zwojnicę z rdzeniem żelaznym nazywamy elektromagnesem.

Elektromagnes i jego zastosowania

Elektromagnes to zwojnica z rdzeniem z żelaza. Jego wielka zaleta to sterowanie:

• włączamy prąd → jest magnesem (przyciąga żelazo),
• wyłączamy prąd → magnetyzm znika (puszcza przedmiot).

Dzięki temu elektromagnesy stosuje się tam, gdzie potrzeba magnesu „na żądanie":

• dźwigi magnetyczne na złomowiskach — podnoszą i upuszczają wraki samochodów,
• dzwonki elektryczne i elektrozamki,
• głośniki i słuchawki,
• przekaźniki i styczniki w automatyce,
• rdzeń każdego silnika elektrycznego.

Rys. 4. Dźwig z elektromagnesem: przy włączonym prądzie przyciąga stalowy wrak, a po wyłączeniu prądu go upuszcza.

Silnik elektryczny — magnetyzm zamienia się w ruch

Skoro pole magnetyczne działa siłą na magnes, to działa też na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Ta siła może wprawić przewodnik w ruch — i na tym opiera się silnik elektryczny.

W silniku ramka z przewodu, przez którą płynie prąd, znajduje się między biegunami magnesu. Pole magnetyczne popycha jeden bok ramki w górę, a drugi w dół, przez co ramka się obraca. Specjalny przełącznik (komutator) w odpowiednim momencie zmienia kierunek prądu, dzięki czemu ramka kręci się cały czas w tę samą stronę.

Zapamiętaj. Silnik elektryczny zamienia energię elektryczną na energię ruchu (mechaniczną), wykorzystując oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem.

Zobacz to w symulacji

W symulacji zmieniasz natężenie prądu w przewodniku i możesz odwrócić jego kierunek. Obserwuj, jak wraz z natężeniem rośnie gęstość linii pola magnetycznego (pole robi się silniejsze) i jak zmiana kierunku prądu odwraca kierunek pola oraz wychylenie igły kompasu.

Zadania krok po kroku

Zadanie 1 — kierunek pola

Przez pionowy przewodnik płynie prąd skierowany ku górze. W którą stronę zwrócone są linie pola magnetycznego patrząc z góry?

Krok 1. Stosujemy regułę prawej dłoni: kciuk kierujemy ku górze (zgodnie z prądem).

Krok 2. Zgięte palce prawej dłoni pokazują wtedy kierunek pola — patrząc z góry, biegną przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Odpowiedź: Linie pola tworzą okręgi skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (patrząc z góry).

Zadanie 2 — jak wzmocnić elektromagnes

Uczeń zbudował elektromagnes z 20 zwojów przewodu bez rdzenia, zasilany jedną baterią. Wymień trzy sposoby, aby go wzmocnić.

Rozwiązanie:

1. Zwiększyć natężenie prądu — np. użyć mocniejszej baterii.
2. Nawinąć więcej zwojów — np. 100 zamiast 20.
3. Włożyć do środka żelazny rdzeń.

Odpowiedź: Większy prąd, więcej zwojów i żelazny rdzeń — każdy z tych sposobów zwiększa siłę elektromagnesu.

Typowe błędy — uważaj!

1. „Prąd i magnetyzm to zupełnie osobne zjawiska." Nie — doświadczenie Oersteda pokazuje, że są ściśle powiązane. Prąd zawsze wytwarza pole magnetyczne.
2. „Elektromagnes działa tak samo bez prądu." Nie — elektromagnes jest magnesem tylko wtedy, gdy płynie prąd. To jego największa zaleta.
3. Mylenie rdzenia. Rdzeń elektromagnesu robi się z żelaza (stali miękkiej), które łatwo się namagnesowuje i rozmagnesowuje. Twarda stal, która „pamięta" magnetyzm, nadaje się na magnes trwały, a nie na rdzeń.
4. „Więcej zwojów nie ma znaczenia." Ma — pole każdego zwoju dodaje się do pozostałych, więc więcej zwojów = silniejsze pole.
5. Zła dłoń. Reguła dotyczy prawej dłoni. Użycie lewej da odwrotny (błędny) kierunek.

Podsumowanie

• Wokół każdego przewodnika z prądem powstaje pole magnetyczne — to odkrycie Oersteda.
• Linie pola wokół prostego przewodnika to współśrodkowe okręgi; blisko przewodnika pole jest silniejsze.
• Kierunek pola wyznaczamy regułą prawej dłoni.
• Zwojnica (cewka) wytwarza pole jak magnes sztabkowy, z biegunami N i S — ale tylko gdy płynie prąd.
• Pole zwojnicy wzmacniamy: większym prądem, większą liczbą zwojów i żelaznym rdzeniem (wtedy to elektromagnes).
• Elektromagnesy sterujemy prądem — stąd dźwigi, dzwonki, głośniki i silniki elektryczne.

Sprawdź swoją wiedzę

Rozwiąż quiz i sprawdź, ile zapamiętałeś: Quizy — magnetyzm.

Dalsza lektura

• Indukcja elektromagnetyczna — zjawisko odwrotne: jak z magnetyzmu uzyskać prąd.
• Prąd przemienny — prąd z gniazdka i jak powstaje w prądnicy.
• Napięcie i natężenie prądu — od czego zależy siła pola elektromagnesu.