Warto przeczytać

Przypomnijmy: wielkością charakteryzująca pole magnetycznePole magnetycznepole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej $\overrightarrow{B}$, przypisany każdemu punktowi przestrzeni. Wartość wektora $\overrightarrow{B}$ jest miarą „siły” pola. Wygodnym i obrazowym przedstawieniem pola magnetycznego są linie polaLinie pola magnetycznegolinie pola. Wektory indukcji $\overrightarrow{B}$ są do nich styczne.

Na Rys. 1. pokazano linie pola, którego źródłem jest zwojnica złożona z pięciu zwojów przewodnika z prądem, a na Rys. 2. widzimy linie pola pochodzącego od prądu okrężnego. Narzuca się tu podobieństwo charakteru linii. Domyślamy się, że w przypadku zwojnicy mamy do czynienia ze zsumowaniem pól pochodzących od poszczególnych zwojów, w wyniku czego powstaje prawie jednorodne pole wewnątrz zwojnicy.

R7uPNeCFX5DQB

Rys. 1. Rysunek przedstawia zwojnicę o poziomej osi, składającą się z pięciu zwojów. Widoczna jest tylko górna połowa zwojnicy, dolna połowa znajduje się pod płaszczyzną rysunku. W płaszczyźnie rysunku narysowano linie pola magnetycznego. Wewnątrz zwojnicy linie pola są równoległe do osi zwojnicy i skierowane w lewo. Przy końcach zwojnicy linie wyginają się na zewnątrz. Linie leżące najbliżej brzegów zwojnicy wygięte są najmocniej tak, że linie wychodzące z lewego i prawego końca zwojnicy łączą się na zewnątrz zwojnicy, tworząc kształt zbliżony do poziomej elipsy. Linie pola położone tuż przy zwojach wchodzących pod płaszczyznę rysunku mają kształt małych okręgów skierowanych zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara w górnej części rysunku. Koliste linie pola otaczające przewody w dolnej części rysunku są skierowane przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara.

RfbX6RBWWjv2M

Rys. 2. Rysunek przedstawia kolisty przewód z prądem, ustawiony prostopadle do płaszczyzny rysunku. Prąd w górnej części przewodu płynie do nas, a w dolnej od nas. W płaszczyźnie rysunku narysowano linie pola magnetycznego. Linia przechodząca przez środek kolistego przewodu jest poziomą linią prostą, skierowaną w prawo. Inne linie, biegnące wewnątrz kolistego przewodu, wyginają się na zewnątrz, tym mocniej, im większa jest odległość od środka okręgu. Linie leżące najbliżej przewodu z prądem wygięte są najmocniej tak, że łączą się, tworząc kształty zbliżone do elips. Zamknięte linie pola, leżące w górnej części rysunku, skierowane są przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, a zamknięte linie pola, leżące w dolnej części rysunku, skierowane są zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara.

Zwróćmy uwagę, że im ciaśniej (bliżej siebie) nawinięte są zwoje, tym bardziej przypominają okręgi i wtedy praktycznie mamy do czynienia z silnym i jednorodnym polem wewnątrz zwojnicy. Takie pole przedstawione jest na Rys. 3. A prawdziwa zwojnica odpowiadająca temu rysunkowi nieznacznie różniąca się liczbą zwojów pokazana jest na Rys. 4.

R7sXbNfNFRHth

Rys. 3. Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego zwojnicy. Zwojnica pokazana jest jako 2 poziome rzędy czerwonych kropek. Są to punkty przebicia płaszczyzny rysunku przez zwoje zwojnicy prostopadłe do płaszczyzny rysunku. Wewnątrz zwojnicy linie pola, równoległe do osi zwojnicy i skierowane w prawo, są silnie zagęszczone. Przy końcach zwojnicy linie wyginają się na zewnątrz. Linie leżące najbliżej brzegów zwojnicy wygięte są najmocniej tak, że linie wychodzące z lewego i prawego końca zwojnicy łączą się, tworząc kształt zbliżony do poziomej elipsy. Na zewnątrz zwojnicy linie pola są znacznie rzadziej rozmieszczone niż wewnątrz.

RYoWSDRfLTwBE

Rys. 4. Na zdjęciu pokazano zwojnicę, której zwoje ciasno przylegają do siebie. Z obu końców wychodzą przewody doprowadzające prąd. Zwojnica ułożona jest na płycie głównej.

W praktyce używamy zwojnic o jeszcze ciaśniej nawiniętych zwojach (zobacz Rys. 5.). Można zastosować nawet kilka warstw zwojów. Wszystko po to, aby uzyskać jak największą wartość indukcji magnetycznej wewnątrz zwojnicy. Jest ona wprost proporcjonalna do gęstości uzwojenia, czyli liczby zwojów przypadających na jednostkę długości zwojnicy.

Dla ciasno nawiniętej zwojnicy o małej średnicy w stosunku do długości zależność indukcji magnetycznej wewnątrz niej wyrażona jest następująco:

gdzie ${\mu }_0$ jest przenikalnością magnetyczną próżni, ${\mu }_{\mathrm{r}}$ względną przenikalnością magnetyczną, $I$ oznacza wartość natężenia prądu płynącego w uzwojeniu, $N$ jest liczbą zwojów, a $l$ długością zwojnicy.

RiYRYVEVBiFEY

Rys. 5. Na zdjęciu pokazano kilka zwojnic o wielu zwojach nawiniętych w kilku warstwach, jedne na drugich.

Zwróćmy uwagę na jeszcze jeden, bardzo ważny, aspekt pola magnetycznego, jakie daje zwojnica. To podobieństwo linii tego pola do pola magnesu stałego o kształcie sztabki. Spójrz na Rys. 6a. i 6b., gdzie pokazane są symbolicznie oba pola.

R10NwJ1YKCcMq

Rys. 6. Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego zwojnicy i magnesu sztabkowego. Z lewej strony rysunku znajduje się zwojnica ustawiona pionowo. Przez zwoje płynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara, jeśli spojrzeć na zwojnicę z góry. Wewnątrz zwojnicy linie pola są równoległe do osi zwojnicy i skierowane w górę. Przy końcach zwojnicy linie wyginają się na zewnątrz. Linie leżące najbliżej brzegów zwojnicy wygięte są najmocniej tak, że linie wychodzące z dolnego i górnego końca zwojnicy łączą się, tworząc kształt pionowej elipsy. Zamknięte linie pola, leżące na lewo od zwojnicy, skierowane są przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a zamknięte linie pola, leżące na prawo od zwojnicy, skierowane są zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Z prawej strony rysunku znajduje się magnes sztabkowy ustawiony pionowo, biegunem wielkie N do góry. Linie pola magnetycznego magnesu są podobne do linii pola zwojnicy. Wewnątrz magnesu linie pola są równoległe do osi magnesu i skierowane w górę. Przy końcach magnesu linie wyginają się na zewnątrz. Linie leżące najbliżej brzegów magnesu wygięte są najmocniej tak, że linie wychodzące z dolnego i górnego końca magnesu łączą się, tworząc kształt pionowej elipsy. Zamknięte linie pola, leżące na lewo od magnesu, skierowane są przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a zamknięte linie pola, leżące na prawo od magnesu, skierowane są zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara.

Zwróć uwagę na kierunek prądu w zwojnicy. Zgodnie z regułą prawej dłoni, prąd daje pole magnetyczne o liniach zwróconych tak samo jak w przypadku magnesuMagnes trwałymagnesu. Możemy zatem zwojnicy z prądem przypisać bieguny magnetyczne takie, jakie ma magnes. Taką zwojnicę z prądem możemy wobec tego nazwać elektromagnesem.

Elektromagnesy mają w technice większe zastosowanie niż magnesy stałe. Dzieje się tak głównie z dwóch powodów:

• dają silniejsze pole magnetyczne, bo możemy zastosować w nich rdzeń ferromagnetyczny, który tysiące razy wzmocni pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w zwojnicy. Więcej możesz przeczytać w e‑materiale „Zastosowanie ferromagnetyków”;

• można nimi sterować – zwiększać albo zmniejszać wartość indukcji, bo jest ona wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w uzwojeniu.

Odnotujmy rozległe zastosowanie elektromagnesów, które są stosowane na przykład w:

• maszynach elektrycznych (silnikach i prądnicach),

• głośnikach, przekaźnikach, stycznikach itp.,

• kolei magnetycznej,

• urządzeniach wykorzystujących magnetyczny rezonans jądrowy (zobacz Rys. 7.),

• dźwigach elektromagnetycznych (huty, stocznie, hale),

• akceleratorach kołowych (np. w CERNie, gdzie pracuje elektromagnes nadprzewodzący),

• zamkach do bram i drzwi.

ROqs27BpjxuMu

Rys. 7. Na zdjęciu pokazano aparat diagnostyczny o kształcie wielkiego, grubego pierścienia. U wylotu pierścienia znajduje się leżanka, na której pacjent może być wsunięty do wnętrza pierścienia. Widoczne są liczne przewody elektryczne.

Oczywiście nie we wszystkich zastosowaniach elektromagnes przypomina tzw. magnes sztabkowy, bardzo często ma inny kształt. Na przykład elektromagnes służący do podnoszenia żelaznego złomu, którego model pokazano na Rys. 8. albo elektromagnes dzwonkowy (Rys. 9.).

RdH3PoxDk6JSi

Rys. 8. Na zdjęciu pokazano dźwig z magnesem do podnoszenia złomu. Długie, niebieskie ramię dźwigu trzyma w chwytaku wielki magnes. Do magnesu przyczepiona jest czerwona karoseria samochodowa. Dźwig pracuje podczas przeładunku złomu na złomowisku.

Rt9EzcLN2XVyx

Rys. 9. Rysunek przedstawia schemat obwodu elektrycznego dzwonka. Główną częścią obwodu jest elektromagnes, czyli żelazny rdzeń o kształcie podkowy, na którego obu końcach nawinięto przewody elektryczne tworzące dwie zwojnice. Gdy przez zwojnice płynie prąd, elektromagnes przyciąga blaszkę leżącą pod elektromagnesem, co powoduje uderzenie młoteczka w dzwonek i zarazem przerywa obwód elektryczny. Blaszka wtedy opada, zamykając obwód i prąd znów płynie w obwodzie. Cały proces powtarza się cyklicznie, powodując kolejne uderzenia młoteczka w dzwonek, co daje terkoczący dźwięk dzwonka.

Na zakończenie ciekawostka. Można pójść jeszcze dalej i połączyć oba końce zwojnicy. Otrzymamy wtedy tzw. cewkę toroidalną (zobacz Rys. 10.). Jest to ważny element układów elektrycznych prądów zmiennych; służy do magazynowania energii pola magnetycznego, może cechować się dużą indukcyjnością ($L$). A czy jest elektromagnesem?

R1Y6tDuMg8qat

Rys. 10. Na zdjęciu pokazano dwie cewki toroidalne. Każda z nich składa się żelaznego rdzenia o kształcie grubego pierścienia, na który nawinięto przewody elektryczne tworzące zwojnicę. Oba końce zwojnicy spotykają się w jednym miejscu.

Słowniczek

Magnes trwały

Magnes trwały

(ang. magnet) jest wykonany z tzw. materiału ferromagnetycznego twardego i wytwarza w otaczającej go przestrzeni stałe pole magnetyczne. Do opisu właściwości magnesu używa się umownie pojęcia biegunów magnetycznych – północnego N i południowego S. Ważną wielkością charakteryzującą magnes jest moment magnetyczny.

Rrqaji15eTBoH

Rysunek pokazuje poziomą powierzchnię z rozsypanymi opiłkami żelaza, pod którą umieszczono magnes sztabkowy. Z lewej strony znajduje się biegun oznaczony literą wielkie N, z prawej strony biegun oznaczony literą wielkie S. Opiłki ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego, które zaczynają się na jednym biegunie magnesu i kończą się na drugim biegunie. Na linii łączącej oba bieguny linie pola są prostymi odcinkami. Nieco dalej opiłki ułożyły się wzdłuż łukowatych, wygiętych na zewnątrz, linii o końcach na biegunach magnesu.