Podsumowanie wiadomości o magnetyzmie i elektromagnetyzmie
Ten materiał poświęcony został podsumowaniu wiadomości o oddziaływaniach magnetycznych: magnesach stałych i ich biegunach, otaczającym je polu magnetycznym, oddziaływaniu magnesów między sobą i na inne substancje; przedstawieniu Ziemi jako wielki magnes sztabkowy, działaniu kompasu; podziale substancji ze względu na ich właściwości magnetyczne (ferro-, para- i diamagnetyki); związku między prądem a magnetyzmem oraz jak ta zależność znalazła zastosowanie w elektromagnesach i silnikach elektrycznych, a także jak przejawia się ona w istnieniu fal elektromagnetycznych (radiowych, świetlnych czy rentgenowskich); zjawisku indukcji elektromagnetycznej z przykładami jego zastosowania w prądnicy i transformatorze.
Magnes trwały
Magnes – ciało, które przyciąga żelazo albo przyciąga lub odpycha inne magnesy.
Każdy magnes posiada dwa bieguny:
północny – oznaczony symbolem (od angielskiego słowa north);
południowy – oznaczony symbolem (od angielskiego słowa south).
Magnes podzielony na pół utworzy dwa magnesy, z których każdy będzie miał dwa bieguny. Nie można rozdzielić biegunów magnetycznych.
Bieguny magnesów oddziałują wzajemnie jeden na drugi:
jednoimienne się odpychają;
różnoimienne się przyciągają.
Nie sugeruj się kolorami biegunów. W Polsce biegun północny oznacza się na niebiesko, a biegun południowy na czerwono – podczas gdy w angielskich źródłach znajdziesz oznaczenia odwrotne (biegun północny na czerwono, biegun południowy na niebiesko).
Pole magnetyczne magnesu
Przestrzeń wokół magnesu nazywana jest polem magnetycznym. Na umieszczone przedmioty żelazne lub inne magnesy umieszczone w tej przestrzeni działa siła magnetyczna.
Pole to można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Ich kształt najłatwiej pokazać za pomocą opiłków żelaznych rozsypanych wokół magnesu.
Pole magnetyczne jest najsilniejsze w pobliżu biegunów i właśnie tam linie sił pola są najbardziej zagęszczone.
Liniom pola nadaje się zwrot od bieguna północnego do bieguna południowego .
Pole magnetyczne Ziemi. Kompas
Planeta Ziemia jest źródłem pola magnetycznego.
Jego obecność można wykryć za pomocą igły magnetycznej (małego, lekkiego magnesu w kształcie igły), która może się swobodnie obracać. Wszystkie takie igły zostawione swobodnie ustawiają się w kierunku północ – południe.
Koniec igły skierowany w kierunku geograficznym północnym nazwano biegunem północnym .
Powyższe właściwości igły magnetycznej wykorzystuje się w działaniu kompasu.
Kompas jest przyrządem, którego zasadniczym elementem jest igła magnetyczna, często mająca kształt strzałki (grot strzałki to biegun ), umieszczona na tle tarczy z podziałka kątową. Igła ta może się obracać w płaszczyźnie poziomej.
R1B8bV0Nk1xig Pole magnetyczne Ziemi ma taki kształt, jakby wewnątrz Ziemi znajdował się ogromny magnes sztabkowy.
Południowy biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a północny biegun magnetyczny w pobliżu geograficznego bieguna południowego.
Pole magnetyczne Ziemi, zwane też magnetosferą, sięga daleko w przestrzeń kosmiczną – znacznie dalej niż atmosfera.
Substancje magnetyczne
Ze względu na to, jak magnesy oddziałują na inne substancje, dzielimy je na trzy kategorie:
Ferromagnetyki – silnie przyciągane przez magnes, w obecności innych magnesów same stają się magnesami.
Przykłady: żelazo, kobalt, nikiel, neodym oraz związki i stopy tych metali.
Zastosowanie: budowa magnesów trwałych, rdzenie elektromagnesów, rdzenie transformatorów, nośniki pamięci (dyski, dyskietki, taśmy magnetyczne, paski magnetyczne), uchwyty magnetyczne i wiele innych.
Paramagnetyki – słabo przyciągane przez magnes.
Przykłady: aluminium, sód, potas, lit.
Diamagnetyki – słabo odpychane przez magnes.
Przykłady: miedź i jej stopy (w tym mosiądz), grafit, bizmut, złoto, woda destylowana, gazy szlachetne, cukry i inne związki organiczne.
Pole magnetyczne prądu
Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół tego przewodnika powstaje pole magnetyczne.
Obecność oraz kierunek linii tego pola można wykryć za pocą igły magnetycznej.
Kierunek linii sił pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd elektryczny.
Układ linii pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika.
Powstające wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.
RRTYVgOllzmHo Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego.
RUAso7PcDevi6
Elektromagnesy
Elektromagnes to magnes powstający w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez cewkę.
Elektromagnes najczęściej zbudowany jest ze zwojnicy, w której płynie prąd, i ferromagnetycznego rdzenia, wzmacniającego pole magnetyczne.
Elektromagnesy oddziałują na siebie wzajemnie i z magnesami: przyciągają się biegunami różnoimiennymi, a odpychają – jednoimiennymi.
Przykłady zastosowania elektromagnesów:
dźwigi elektromagnetyczne na złomowiskach;
zamki i zawory elektromagnetyczne;
włączniki i styczniki elektromagnetyczne;
akceleratory;
urządzenia do magnetycznego rezonansu jądrowego.
Silnik elektryczny
Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną.
Siła ta działa prostopadle do przewodnika oraz prostopadle do linii pola magnetycznego. Zależy od kierunku i natężenia prądu oraz od ustawienia przewodnika względem linii pola.
Oddziaływanie to można wyjaśnić na podstawie oddziaływania magnesu z polem magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w przewodniku.
Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem znalazło zastosowanie w silnikach elektrycznych.
W silniku elektrycznym energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.
Silnik na prąd stały zbudowany jest z:
stojana – tworzą go magnesy trwałe lub elektromagnesy;
wirnika – ułożyskowanej zwojnicy, umieszczonej między magnesami, czyli wewnątrz stojana.
RTVIqZkpEVIdj
Wirnik, w którym płynie prąd, staje się elektromagnesem, który oddziałuje na magnesy. Dzięki temu wirnik się obraca.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej
Względny ruch magnesu i przewodnika sprawia, że zaczyna płynąć prąd. Nazywamy go prądem indukcyjnym.
W przewodniku umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym powstaje napięcie elektryczne – zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zostało odkryte niezależnie przez dwóch naukowców – Michaela Faraday'aMichaela Faraday'a i Josepha Henry'egoJosepha Henry'ego.
Prądnica i transformator
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej znalazło zastosowanie w prądnicach i transformatorach prądu zmiennego.
W prądnicy energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną.
Prądnica (generator prądu) to zwojnica obracająca się w polu magnetycznym.
RIrvvgYPx0AFH Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (tzw. dynamo).
Transformator to urządzenie służące do obniżania lub podwyższania napięcia elektrycznego.
Transformator zbudowany jest z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które są umieszczone na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym.
RA9MQ2dfNIYne Przepływ prądu zmiennego w uzwojeniu pierwotnym wzbudza przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym. Jest to możliwe dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.
Za pomocą liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięcie powstające na uzwojeniu wtórnym. Przedstawia to proporcja:
lub
Fale elektromagnetyczne
Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku zaburzenia pola magnetycznego lub elektrycznego. Dzieje się tak, ponieważ prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego, a źródłem prądu jest zmienne pole magnetyczne. W efekcie wzajemnej zależności między polem elektrycznym i magnetycznym, w przestrzeni rozchodzi się zaburzenie nazywane falą elektromagnetyczną.
Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością .
Długość fali oblicza się ze wzoru:
lub w próżni
gdzie – prędkość rozchodzenia się fali, – jej częstotliwość.
Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne.
Do fal elektromagnetycznych zaliczamy:
fale radiowe – mają największą długość fali i najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji oraz telekomunikacji;
mikrofale – mają mniejszą długość niż fale radiowe, stosowane są m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych, telefonii komórkowej;
podczerwień – ma długość fali mniejszą od mikrofal, ale większą od światła widzialnego, emitowana jest przez wszystkie ciała o temperaturze większej od zera bezwzględnego, także przez ciało człowieka; podczerwień jest stosowana m.in. w noktowizorach, termowizji oraz komunikacji typu IRDA;
światło widzialne – światło rejestrowane przez wzrok człowieka; różnym długościom fali odpowiada różna barwa światła: najkrótsze są fale światła fioletowego, a najdłuższe – czerwonego;
ultrafiolet – ma większą częstotliwość niż światło widzialne; jego źródłem są lampy kwarcowe i Słońce; w dużych dawkach jest szkodliwy dla skóry, w małych dawkach stosuje się go w terapii schorzeń dermatologicznych; ponadto wykorzystywany jest on do sterylizacji sprzętu medycznego i pomieszczeń, przyspieszania reakcji chemicznych w przemyśle chemicznym, identyfikacji minerałów (spektroskopia UV);
promieniowanie rentgenowskie (promienie X) – wytwarzane przez aparaty rentgenowskie, Słońce i inne obiekty astronomiczne; jest przenikliwe (ale zatrzymuje je warstwa ołowiu); promienie X stosowane są w diagnostyce i terapii medycznej oraz do badania struktury wewnętrznej materiałów i konstrukcji, np. elementów silników samolotowych, prześwietlania bagażu na lotniskach;
promieniowanie gamma – promieniowanie o najmniejszej długości i największej częstotliwości; emitowane jest przez pierwiastki promieniotwórcze oraz podczas reakcji jądrowych; jest bardzo przenikliwe, silnie jonizujące i zabójcze dla organizmów żywych; stosuje się je w radioterapii nowotworów, w diagnostyce medycznej, do sterylizacji żywności i sprzętu medycznego.
ROu6RLewBRXA11
Test
Zadania
Jak nazywają się te miejsca magnesu, które najsilniej przyciągają żelazne lub stalowe (szpilki, spinacze) przedmioty? Podaj ich nazwy oraz symbole. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Narysuj kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy.
Opisz kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy. Notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Napisz, jak działa kompas i do czego on służy.
Jednym z zastosowań magnesów trwałych są separatory magnetyczne. W ofercie producenta czytamy:
„Separatory magnetyczne na magnesach stałych (neodymowych lub ferrytowych) służą do oczyszczania różnych materiałów sypkich i lejnych z zanieczyszczeń ferromagnetycznych, takich jak opiłki, druty, śruby czy nakrętki. Z powodzeniem znajdują zastosowanie między innymi w recyklingu materiałów odpadowych”.
Czy taki separator wystarczy do oczyszczenia makulatury, w której mogą znajdować się stalowe spinacze, mosiężne zszywki do papieru oraz plastikowe nakrętki? Jeśli nie, to które z tych zanieczyszczeń nie zostaną usunięte? Odpowiedź uzasadnij. Notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Czy silny magnes neodymowy można wykorzystać do wybierania okruchów złota z piasku złotonośnego potoku? Odpowiedź uzasadnij. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.
W pobliżu zwojnicy znajduje się kompas. Po włączeniu prądu wskazówka kompasu wskazuje jeden z końców zwojnicy. Magnes sztabkowy zbliżony do tegoż końca zwojnicy jest od niej odpychany. Jakim biegunem zbliżano magnes do zwojnicy? Odpowiedz na pytanie. Notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczono pomiędzy biegunami magnesu. Narysuj wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki. Skorzystaj z reguły lewej dłoni.
Uwaga: na lewym rysunku przewodnik jest umieszczony prostopadle do płaszczyzny kartki i prąd w nim płynie do czytelnika, a na prawym rysunku prąd płynie w głąb kartki.
Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczono pomiędzy biegunami magnesu. Jak są skierowane wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki?
Uwaga: na lewym rysunku przewodnik jest umieszczony prostopadle do płaszczyzny kartki i prąd w nim płynie do czytelnika, a na prawym rysunku prąd płynie w głąb kartki.
W jaki sposób możemy zmieniać kierunek obrotów wirnika w silniku elektrycznym na prąd stały? Odpowiedz na pytanie. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Michael Faraday
Michael Faraday [majkel faradej] był angielskim uczonym, który przyczynił się do rozwoju elektromagnetyzmu i elektrochemii. Do największych odkryć zalicza się indukcję elektromagnetyczną, diamagnetyzm i elektrolizę. Faraday jest uznawany za jednego z największych odkrywców, mimo że miał słabe podstawy teoretyczne. Wyniki badań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem doprowadziły do stworzenia koncepcji pola elektromagnetycznego. Odkrycia tego uczonego są podstawą działania silników na prąd stały i generatorów prądu.
Joseph Henry
Joseph Henry [dżołzef henry] był amerykańskim naukowcem. Podczas budowania elektromagnesów odkrył zjawisko samoindukcji elektromagnetycznej oraz indukcji elektromagnetycznej (niezależnie od Faraday'a, który jako pierwszy opublikował wyniki doświadczeń). Zajmował się praktycznym zastosowaniem elektromagnesów. Skonstruował m.in. dzwonek elektryczny i przekaźnik elektromagnetyczny (który dla Samuela Morse'a [samjuel mors] stał się podstawą do zbudowania telegrafu).