Przypomnijmy: wielkością charakteryzująca pole magnetycznePole magnetycznepole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej , przypisany każdemu punktowi przestrzeni. Wartość wektora jest miarą „siły” pola. Wygodnym i obrazowym przedstawieniem pola magnetycznego są linie polaLinie pola magnetycznegolinie pola. Wektory indukcji 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
RfbX6RBWWjv2M
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
RYoWSDRfLTwBE
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 jest przenikalnością magnetyczną próżni, względną przenikalnością magnetyczną, oznacza wartość natężenia prądu płynącego w uzwojeniu, jest liczbą zwojów, a długością zwojnicy.
RiYRYVEVBiFEY
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
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:
akceleratorach kołowych (np. w CERNie, gdzie pracuje elektromagnes nadprzewodzący),
zamkach do bram i drzwi.
ROqs27BpjxuMu
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
Rt9EzcLN2XVyx
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 (). A czy jest elektromagnesem?
R1Y6tDuMg8qat
Słowniczek
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne
(ang. magnetic field) – stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły, zwanej siłą magnetyczną (Lorentza) na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni bądź na obiekt obdarzony momentem magnetycznym; wielkością charakteryzującą pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej .
Linie pola magnetycznego
Linie pola magnetycznego
(ang. magnetic line of induction) – poglądowy obraz tego pola. Przebieg linii odzwierciedla układ wektorów indukcji magnetycznej w przestrzeni. W każdym, dowolnym punkcie linii pola zaczepiony jest wektor , styczny do tej linii.
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
Ferromagnetyzm
Ferromagnetyzm
(ang. ferromagnetism) polega na bardzo silnym wzmacnianiu pola magnetycznego przez pewne substancje (ferromagnetyki). Dla ferromagnetyków względny współczynnik przenikalności magnetycznej (stosunek wartości indukcji magnetycznej w obecności danej substancji do wartości indukcji magnetycznej bez tej substancji (w próżni) , co można zapisać: ) osiąga wartości rzędu 10Indeks górny 22 – 10Indeks górny 66. Do ferromagnetyków należą m.in. żelazo, kobalt, nikiel i ich związki chemiczne oraz niektóre ich stopy.