INDUKCJA ELEKTROMAGNETYCZNA

Co to takiego indukcja elektromagnetyczna?

Podchodząc do tematu z perspektywy czysto technicznej, zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na pojawianiu się (indukcji) w obwodzie siły elektromotorycznej SEM, podczas przemieszczania się względem siebie obwodu i źródła pola magnetycznego. Wyindukowana siła elektromotoryczna powoduje pojawienie się w obwodzie prądu indukcyjnego.

Przykłądowe urządzenie zastosowane do badania zjawiska indukcji elektromagnetycznej



Dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, podczas wsuwania i wysuwania magnesu do wnętrza uzwojenia, indukuje się w tym uzwojeniu prąd. Kierunek przepływu prądu zależy od tego, czy magnes wsuwamy czy wysuwamy. Im magnes jest szybciej przesuwany tym galwanometr wskazuje większe natężenie prądu. Urządzeniem skonstruowanym dzięki odkryciu zjawiska indukcji elektromagnetycznej jest transformator:



Transformator zbudowany jest z dwóch uzwojeń (pierwotnego wtórnego), nawiniętych na wspólny rdzeń. Często spotyka się transformatory o więcej niż jednym uzwojeniu wtórnym.

Gdy do uzwojenia pierwotnego podłączymy źródło zmiennego napięcia U1, popłynie w nim zmienny prąd elektryczny. To z kolei powoduje indukcję zmiennego pola magnetycznego, które przenikając przez pozostałe uzwojenie powoduje powstanie w nim - wskutek indukcji elektromagnetycznej - zmiennej siły elektromotorycznej. Ta siła elektromotoryczna (SEM) jest źródłem zmiennego napięcia U2 na wyjściu transformatora.

SUBSTANCJE DIAMAGNETYCZNE, PARAMAGNETYCZNE I FERROMAGNETYCZNE

Trochę suchej teorii:

Diamagnetyki to ciała wypychane przez niejednorodne Pole magnetyczne, wykazujące Diamagnetyzm, który z kolei jest własnością ciała, umożliwiającą jego magnesowanie w kierunku przeciwnym do kierunku zewnątrznego Pola magnetycznego, w którym to Ciało umieszczono. Idealny Diamagnetyzm wykazują nadprzewodniki, do substancji wykazujących Zjawisko diamagnetyzmu należą też gazy szlachetne, wiąkszość związków organicznych, niektóre Metale (cynk, Złoto, Srebro, Miedź) i Niemetale (m.in. Fosfor, grafit). Diamagnetyzm wystąpuje we wszystkich rodzajach ciał, niekiedy jest przysłaniane przez inne zjawiska magnetyczne, takie jak na przykład ferromagnetyzm. Jednak w normalnych substancjach Diamagnetyzm jest efektem bardzo słabym.

Paramagnetyki to ciała słabo magnesujące się w polu magnetycznym zgodnie z jego kierunkiem, czyli wykazujące paramagnetyzm. Są to na przykład Tlen cząsteczkowy, Lit, Sód, Potas, Wapń, glin.

Ferromagnetyki to substancje krystaliczne o własnościach ferromagnetycznych, czyli posiadających zdolność do stałego namagnesowania. Charakteryzują się tym, że ich własne, wewnątrzne Pole magnetyczne może setki i tysięce razy przekraczaą wywołujące je zewnątrzne Pole magnetyczne. Powstają tzw. domeny magnetyczne, czyli obszary samoistnie namagnesowane, zachowujące się jak małe magnesiki. Typowymi ferromagnetykami są pierwiastki z grupy żelaza ( żelazo, Nikiel, Kobalt ) oraz stopy tych metali, a także takie pierwiastki, jak : Gd, Tb, Dy, Ho, Er. Ferromagnetyki stosuje się m.in. do wytwarzania w urządzeniach silnego Pola magnetycznego, jako magnesy trwałe, elektromagnesy.

CYKLOTRON

Budowa i zasada działania cyklotronu.



Cyklotron służy do przyspieszania naładowanych cząstek elementarnych.
Zbudowany jest ze skrzyżowanych ze sobą prostopadle połów: elektrycznego i magnetycznego. Obszar, w którym panuje pole magnetyczne nazywamy duantami. Między duantami panuje pole elektryczne, którego zwrot zmienia się na przeciwny, gdy cząstka „zawraca” w Dauncie.

Cyklotron bez osłon:



Widoczny u dołu system pomp dyfuzyjnych (po lewej). Komora próżniowa wymontowana z obudowy z nawiniętą na powierzchni bocznej cewką miedzianą oraz widocznymi wewnątrz czterema blokami elektrod do wytwarzania pola elektryczne-go o częstotliwości radiowej (po prawej)

Zasada przyspieszania cząstek w cyklotronie wykorzystuje siłę Lorentza:
kliknij poniżej:

działającą na każdą naładowaną cząstkę o ładunku poruszającą się z prędkością w polu elektrycznym i magnetycznym w celu zwiększenia energii przyspieszanych jonów H- do wartości około 11 MeV. Jony H- wytwarzane są przez źródło jonów umieszczone w centralnej części walcowej komory próżniowej. Na końcu źródła umieszczone są dwie elektrody w odległości kilku mm, pomiędzy którymi generowany jest obszar plazmy o tak dobranych parametrach, aby z wodoru dostarczanego z butli, uzyskać w przeważającej części ujemnie naładowane jony H-.


źródło jonów (po lewej) oraz schemat komory próżniowej cyklotronu (po prawej)


Schematyczny rysunek przedstawiający źródło jonów, linię injekcyjną i cyklotron (przekrój pionowy)

SILNIK ELEKTRYCZNY W ODNIESIENIU DO MAGNETYZMU

Rys historyczny:

Urządzenie, w którym energia elektryczna zamieniana jest na mechaniczną. Najprostszy silnik elektryczny składa się z wirnika w formie płaskiej, prostokątnej cewki, obracającej się w polu magnetycznym. Działanie silnika elektrycznego opiera się na zjawisku dynamicznego oddziaływania pola magnetycznego i przewodu. Już w 1837 roku J.P. Joule, jako 19-letni fizyk, ogłosił swoją pracę opisującą silnik elektryczny własnego pomysłu. Za twórcę maszyny elektrycznej uznaje się jednak M. Faradaya, który w 1831 roku zbudował pierwszy model silnika elektrycznego - była to tzw. tarcza Faradaya. Pierwszą maszyną elektryczną mającą praktyczne znaczenie zbudował jednak w 1834 roku M.H. Jacobi (silnik prądu stałego z komutatorem, zastosowany do napędu małego statku rzecznego). Pierwszy pracujący silnik elektryczny zbudował w roku 1837 w USA - Thomas Davenport, który swoich konstrukcji używał do napędu wiertarki i tokarki do drewna. Decydującym krokiem w rozwoju silnika elektrycznego było zbudowanie w 1887 roku przez J.N. Teslę (wykorzystującego prace inż. i fizyka G. Ferrarisa) 2-fazowego silnika indukcyjnego. Udział w konstrukcji silnika elektrycznego miał także Polak - M. Doliwo-Dobrowolski, który w 1889 roku zbudował silnik 3-fazowy z wirnikiem klatkowym.

Zasada działania silnika elektrycznego:

Rozpocznijmy od 3 zasady dynamiki Newtona:

Zwana również zasadą akcji i reakcji, dotyczy wzajemnego oddziaływania dwóch ciał. Jeżeli ciało A działa na ciało B siłą FAB, to ciało B działa na ciało A siłą FBA równą co do wartości, lecz przeciwnie skierowaną.

FAB = - FBA

Obie siły równoważą się wzajemnie oraz występują równocześnie, toteż nie można powiedzieć, która z nich jest siłą akcji, a która siłą reakcji.

Elektromagnes - to zwoje przewodnika nawinięte na sztabkę żelazną. Właściwości elektromagnesu są identyczne jak zwykłej sztabki magnesu pochodzenia mineralnego.
magnesy oddziałują głownie „końcami” – biegunami. Są dwa rodzaje biegunów: N S
Magnesy oddziałują na odległość dzięki temu, że wytwarzają pole magnetyczne.





Dwa magnesy odpychają się lub przyciągają wzajemnie w zależności od tego jakimi końcami będziemy je do siebie zbliżać.
o Bieguny jednoimienne się odpychają
o Bieguny różnoimienne się przyciągają



W pobliżu przewodnika, przez który płynie prąd też jest pole magnetyczne.

Podstawowymi elementami modelu silnika elektrycznego prądu stałego są:
o magnes
o umieszczona pomiędzy biegunami magnesów ramka
o komutator (służy do zmiany kierunku prądu)
o szczotki (doprowadzają prąd do komutatora)
o Prąd doprowadzany jest do ramki przez dwie ślizgające się po pierścieniu
szczotki



Prawdziwe silniki prądu stałego są o wiele bardziej skomplikowane. Zwykle zamiast magnesów stałych stosuje się elektromagnesy, dla których wartość pola elektrycznego jest o wiele większa, uzwojenie posiada wiele zwojów, a komutator jest zdecydowanie bardziej skomplikowany. mimo to zasada działania pozostaje taka sama.



Krzemowe szczotki ślizgając się po komutatorze umożliwiają połączenie obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je nieruchomym źródłem prądu stałego.
Bardzo ważną częścią silnika prądu stałego, umożliwiającą mu prawidłowe funkcjonowanie jest komutator. Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie odizolowanych. Do każdego z wycinków przyłączony jest jeden koniec uzwojenia wirnika.



Tutaj mamy link do symulacji:

http://www.walter-fendt.de/ph14pl/electricmotor_pl.html

DOŚWIADCZENIE OERSTEDA

* Przyrządy

prostoliniowy przewodnik wykonany z miedzi lub aluminium, bateria 4,5 V, igła magnetyczna

* Przebieg doświadczenia

Czekamy aż igiełka wskaże kierunek pólnoc - południe, następnie umieszczamy nad nią przewodnik, który na krótką chwilę łaczymy z bateryjką. Obserwujemy zachowanie igły magnetycznej w momencie zamknięcia obwodu.





* Obserwacje

W chwili zamknięcia obwodu igła magnetyczna ustawia się pod pewnym kątem w stosunku do swojego pierwotnego położenia.

* Wnioski

Wokół przewodnika z prądem istnieje pole magnetyczne.

SPOSOBY OKREŚLANIA KIERUNKU I ZWROTU SIŁ

SIŁA ELEKTRODYNAMICZNA I SIŁA LORENZA

SIŁA ELEKTRODYNAMICZNA

U podstaw działania silnika elektrycznego leży zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej.

W zależności od kierunku prądu płynącego w przewodniku jest on wypychany lub wciągany do wnętrza pola wytwarzanego przez magnes. Siłą odpowiedzialną za ruch przewodnika jest siła elektrodynamiczna.

W celu lepszego zrozumienia jak to działa zapraszam do poniższego apletu.



Siła elektrodynamiczna działa w kierunku prostopadłym do płaszczyzny utworzonej przez przewód z prądem i linie indukcji pola magnetycznego, zwrot siły wyznaczamy stosując zasadę lewej ręki (lub śruby prawoskrętnej).

Zasada lewej ręki

Jeżeli lewą rękę ustawimy w polu magnetycznym w taki sposób, że linie pola magnetycznego (od N do S) są skierowane do jej wewnętrznej strony, a wyprostowane palce wskazują kierunek przepływu prądu (od + do -), to odchylony kciuk wskaże kierunek działania siły elektrodynamicznej.



Wartość siły elektrodynamicznej jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w przewodniku i do długości odcinka przewodnika znajdującego się w polu magnetycznym.


F = B I L sinα

F - siła elektrodynamiczna
B - indukcja magnetyczna
I - natężenie prądu w przewodniku
l - długość przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznym
α - kąt pomiędzy kierunkiem prądu w przewodniku a kierunkiem linii pola magnetycznego


SIŁA LORENZA

Siła Lorentza — siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Wzór podany został po raz pierwszy przez Lorentza i dlatego nazwano go jego imieniem.

Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pola magnetycznego (składników pola elektromagnetycznego):

F = q(E + v * B)

gdzie:

* F – siła (w niutonach),
* E – natężenie pola elektrycznego (w woltach / metr),
* B – indukcja magnetyczna (w teslach),
* q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach),
* v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę),
* × – iloczyn wektorowy.

Terminem siła Lorentza określa się czasem samą składowa magnetyczną tej siły

F = qv * B



Kierunek siły F jest prostopadły zarówno do kierunku linii pola magnetycznego jak i kierunku płynącego prądu.



Jeżeli trzy palce lewej dłoni ustawimy pod kątami prostymi i palec wskazujący skierujemy wzdłuż linii pola magnetycznego, a palec środkowy w kierunku przepływu prądu, to kciuk wskaże kierunek i zwrot siły F.

POLE MAGNETYCZNE I WIELKOŚCI DLA NIEGO CHARAKTERYSTYCZNE

Podstawowe właściwości pola magnetycznego

Pole magnetyczne jest to przestrzeń otaczająca magnes trwały lub przewodnik, w którym płynie prąd. Podobnie jak pole elektryczne, pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola . Są to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w polu magnetycznym.




Na rysunku tym przedstawiono dwie z wielu linii pola magnetycznego wytwarzanego przez sztabkowy magnes trwały. Jak widać, linie sił pola magnetycznego są liniami zamkniętymi. Reguła ta dotyczy dowolnej konfiguracji pola magnetycznego.
Każdy magnes ma dwa bieguny N i S . Linie sił pola magnetycznego biegną zawsze od bieguna N do bieguna S . Pole magnetyczne jest bezźródłowe, tzn. nie istnieją "ładunki" magnetyczne. Ruchome ładunki elektryczne wytwarzają pole magnetyczne.

Jako najprostszy przypadek przedstawimy pole magnetyczne wytworzone przez nieskończenie długi prostoliniowy przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny o natężeniu I .




Przewodnik taki wytwarza wirowe pole magnetyczne, którego linie sił pola są okręgami o wspólnym środku. Kierunek pola magnetycznego z kierunkiem prądu kojarzy reguła prawoskrętnej śruby :
Jeżeli wyprostowany kciuk prawej dłoni wskazuje kierunek prądu w przewodniku, to zgięte palce prawej dłoni wskazują zwrot linii sił pola wokół przewodnika prostoliniowego.

Drugim podstawowym przypadkiem jest pole magnetyczne przewodnika kołowego.




Jak widać, pole magnetyczne wytworzone przez przewodnik kołowy ma konfigurację podobną do pola magnetycznego magnesu sztabkowego, dlatego też przewodnik kołowy z prądem traktujemy jako dipol magnetyczny. Kierunek pola magnetycznego wytworzonego przez przewodnik kołowy kojarzy się z kierunkiem prądu w przewodniku - reguła prawoskrętnej śruby.

Iloczyn I·S (S --> powierzchnia obejmowana przez przewodnik) nazywamy momentem magnetycznym przewodnika .

Pojedynczy przewodnik kołowy wytwarza stosunkowo słabe pole magnetyczne. Efekt ten można powiększyć, stosując układ przewodników kołowych połączonych w szereg.
Uzyskujemy w ten sposób zwojnicę (solenoid) .