Prąd elektryczny w przewodniku można wzbudzić przez przyłożenie napięcia elektrycznego do końców przewodnika. Napięcie pochodzi z ogniwa lub baterii ogniw. Istnieje jednak sposób wzbudzania prądu bez użycia źródeł chemicznych. Prąd będzie płynął także w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Zjawisko to jest obecnie najważniejszym mechanizmem wytworzenia napięcia elektrycznego w elektrowniach. W tym materiale dowiesz się więcej o powstawaniu prądu indukcyjnego.
RwFafN6IBO7bF
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
opis magnesu jako dipola;
znaczenie pojęcia pola magnetycznego jako przestrzeni, w której działają siły magnetyczne;
opis działania biegunów magnetycznych;
wyjaśnienie występowania pola magnetycznego wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd.
Jeśli potrzebujesz je sobie przypomnieć, wiadomości te znajdziesz w materiale Oddziaływania magnetyczneP10ETIK2dOddziaływania magnetyczne.
Nauczysz się
wytwarzać prąd elektryczny w przewodniku za pomocą ruchu magnesu;
wyjaśniać powstawanie prądu indukcyjnego;
omawiać zjawisko indukcji elektromagnetycznej;
prezentować doświadczalnie zjawisko indukcji elektromagnetycznej;
wyjaśniać zasadę działania transformatora.
W miarę możliwości warto wykonać kilka doświadczeń związanych z omawianymi zagadnieniami. Jeśli to możliwe, przygotuj wskazane poniżej materiały.
Kiedy w wieku odkryto, że przepływ prądu w przewodniku sprawia, że wokół niego powstaje pole magnetyczne, postawiono pytania: Czy jest możliwe zjawisko odwrotne? Czy magnes może spowodować, że zacznie płynąć prąd elektryczny? Michael FaradayMichael FaradayMichael Faraday, odkrywca tego zjawiska (zwanego zjawiskiem indukcji elekromagnetycznej), poświęcił wiele lat na potwierdzenie tezy, że prąd może powstawać w przewodniku, do którego przyłoży się magnes. Swojego odkrycia dokonał sierpnia roku.
Michael Faraday25.08.1867Hampton Court22.09.1791Newington Butts
R1emddzfo8Hol
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.
Aby potwierdzić wyniki otrzymane przez Faradaya, przeanalizuj (w miarę możliwości, wykonaj) poniższe doświadczenie.
Doświadczenie 1
Problem badawczy
Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?
Hipoteza
Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.
Co będzie potrzebne
zwojnica;
magnes stały;
miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);
Instrukcja
Wybierz na mierniku zakres małego natężenia prądu.
Ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.
Połącz zwojnicę z miernikiem.
RsoMdpwQCr2s2
Szybkim ruchem zbliż magnes do zwojnicy i równie energicznym ruchem oddal go.
Zaobserwuj wskazania przyrządu pomiarowego.
Odwróć magnes, aby zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem.
Szybkim ruchem zbliż magnes do zwojnicy i oddal go.
Połóż magnes w pobliżu zwojnicy i nią poruszaj. Obserwuj wskazania przyrządu pomiarowego.
Podsumowanie
Podczas ruchu magnesu względem zwojnicy wskazówka amperomierza wychyla się raz w jedną, raz w drugą stronę w zależności od tego, czy magnes jest wsuwany czy wysuwany ze zwojnicy. Im ruch magnesu jest szybszy, tym wychylenia wskazówki jest większe. Zmiana biegunów magnesu powoduje zmianę kierunku wychylenia wskazówki. Identyczny efekt obserwuje się podczas ruchu zwojnicy względem nieruchomego magnesu. Brak wzajemnego ruchu nie indukuje prądu elektrycznego w zwojnicy.
Wniosek: Jeżeli zwojnica znajduje się w zmieniającym się polu magnetycznym, to wzbudza się w niej prąd elektryczny.
Przeprowadzono doświadczenie, w którym dokonano analizy względnego ruchu zwojnicy i magnesu.
Doświadczenie 1
Problem badawczy
Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?
Hipoteza
Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.
Co będzie potrzebne
zwojnica;
magnes stały;
miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);
Instrukcja
Wybrano na mierniku zakres małego natężenia prądu.
Ustawiono amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.
Połączono zwojnicę z miernikiem.
RsoMdpwQCr2s2
Szybkim ruchem zbliżono magnes do zwojnicy i równie energicznym ruchem oddalono go.
Zaobserwano wskazania przyrządu pomiarowego.
Odwrócono magnes, aby zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem.
Szybkim ruchem zbliżono magnes do zwojnicy i oddalono go.
Położono magnes w pobliżu zwojnicy i nią poruszano. Obserwowano wskazania przyrządu pomiarowego.
Podsumowanie
Podczas ruchu magnesu względem zwojnicy wskazówka amperomierza wychylała się raz w jedną, raz w drugą stronę w zależności od tego, czy magnes był wsuwany, czy wysuwany ze zwojnicy. Im ruch magnesu był szybszy, tym wychylenia wskazówki było większe. Zmiana biegunów magnesu spowodowała zmianę kierunku wychylenia wskazówki. Identyczny efekt obserwuje się podczas ruchu zwojnicy względem nieruchomego magnesu. Brak wzajemnego ruchu nie indukuje prądu elektrycznego w zwojnicy.
Wniosek: Jeżeli zwojnica znajduje się w zmieniającym się polu magnetycznym, to wzbudza się w niej prąd elektryczny.
Wyniki doświadczenia pokazują, że bateria nie jest jedynym źródłem napięcia elektrycznego. By wytworzyć prąd elektryczny, wystarczy względny ruch magnesu i przewodnika. Amperomierz pokazuje, że natężenie płynącego prądu zależy od szybkości względnego ruchu zwojnicy i magnesu. Powstawanie prądu elektrycznego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego nazywamy indukcją elektromagnetycznąindukcja elektromagnetycznaindukcją elektromagnetyczną, a prąd płynący w zwojnicy – prądem indukcyjnymprąd indukcyjnyprądem indukcyjnym. Oprócz Michaela Faraday’a badania nad tymi zjawiskami prowadził Amerykanin Joseph HenryJoseph HenryJoseph Henry.
Joseph Henry13.05.1878Waszyngton17.12.1797Alabany
RisUp6WPoki5w
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).
indukcja elektromagnetyczna
indukcja elektromagnetyczna
– zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.
prąd indukcyjny
prąd indukcyjny
– prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego.
Ciekawostka
Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (dynamo). W obudowie znajduje się stały magnes i zwojnica. Element, który styka się z oponą, to obracające się kółko napędzające połączone wałkiem z magnesem, który jest źródłem zmiennego pola magnetycznego. Wytwarza ono w uzwojeniu prąd który, za pomocą przewodów, doprowadzany jest do żarówki.
RIrvvgYPx0AFH
Działanie transformatora
Napięcie elektryczne otrzymywanie w elektrowni sięga woltówwoltwoltów, a napięcie w instalacji domowej – tylko . Podczas przesyłu energii elektrycznej napięcie ma dużą wartość, wykorzystuje się więc tzw. linie wysokiego napięcia. Obniżenie napięcia do wartości następuje dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznejindukcja elektromagnetycznaindukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Aby zapoznać się ze sposobem jego działania, przeanalizuj (wykonaj) poniższe doświadczenie.
wolt
wolt
– jednostka napięcia w układzie SI, symbol .
1
Doświadczenie 2
Poznanie budowy i sposobu działania transformatora. Uwaga! To doświadczenie powinien wykonywać nauczyciel.
Co będzie potrzebne
zwojnice o różnej liczbie zwojów;
rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery „U”;
miernik uniwersalny lub woltomierz;
zasilacz;
przewody.
Instrukcja
Włożenie zwojnicy na rdzeń.
Podłączenie zasilacza do jednej ze zwojnic. Ustawienie go tak, by był źródłem prądu zmiennego.
Połączenie drugiej zwojnicy z miernikiem, ustawienie odpowiedniego zakresu pomiarowego.
RtsK5UsSv4Xgk
Włączenie zasilacza i obserwacja wskazania miernika.
Zwiększenie napięcia prądu z zasilacza i obserwacja wskazania miernika.
Wyłączenie zasilacza. Podłączenie zasilacza do drugiej zwojnicy, a miernika do pierwszej.
Zwiększanie stopniowo napięcia i obserwacja wskazania miernika.
Podsumowanie
Zmiana napięcia między końcami jednej zwojnicy wywołuje zmianę napięcia między końcami drugiej zwojnicy. Napięcie jest wyższe w zwojnicy o większej liczbie zwojów. Wniosek: Transformator służy do zmiany napięcia poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów. Może obniżać lub podwyższać napięcie prądu elektrycznego.
R18eDOxsM5rqo11
Ćwiczenie 1
Transformator to urządzenie, które może służyć do podwyższania lub obniżania napięcia. Zastanówmy się, jak on działa. Zwojnica, do której podłączane jest źródło napięcia, nazywana jest uzwojeniem pierwotnym. Wokół uzwojenia pierwotnego powstaje zmienne pole magnetyczne, które jest wzmacniane za pomocą rdzenia (ferromagnetycznego). To pole magnetyczne wywołuje przepływ prądu w drugiej zwojnicy. Nazywana jest ona uzwojeniem wtórnym.
Dzięki dobraniu liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy zmienić wartość napięcia otrzymywanego na uzwojeniu wtórnym. Jeśli liczy ono mniej zwojów niż uzwojenie pierwotne, to transformator będzie obniżał napięcie. Natomiast gdy w uzwojeniu wtórnym będzie więcej zwojów niż w uzwojeniu pierwotnym, transformator będzie podwyższał napięcie. Związek między napięciem a liczbą zwojów opisuje proporcja:
Przykład 1
Uzwojenie pierwotne liczy zwojów, a wtórne zwojów. Jakie jest napięcie wyjściowe, jeśli napięcie na wejściu jest równe ?
Rozwiązanie – pierwszy sposób Dane:
Szukane:
Wzór:
Obliczenia:
Odpowiedź: Napięcie na wyjściu jest równe .
Rozwiązanie – drugi sposób Uzwojenie wtórne zawiera trzy razy więcej zwojów niż pierwotne. Transformator zwiększy napięcie trzykrotnie, czyli:
Ro781A2YlOd1p21
Ćwiczenie 2
Przeanalizuj, czy zwiększanie napięcia w uzwojeniu wtórnym kłóci się z zasadą zachowania energiizasada zachowania energiizasadą zachowania energii. Energia jest przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Szybkość tego przekazu jest mocąmocmocą transformatora. Moc w uzwojeniu wtórnym pochodzi z uzwojenia wtórnego, a zgodnie z zasadą zachowania energii (zakładamy brak strat) obie moce są sobie równe. Moc prądu jest iloczynem napięcia i natężenia, czyli:
Z tego wynika, że zwiększenie napięcia przekłada się na obniżenie natężenia. Możliwość zmiany napięcia jest zaletą prądu zmiennego. Jeśli w przewodzie płynie prąd o dużym natężeniu, to do otoczenia emitowane jest ciepło. Podczas przesyłu energii chcemy te straty ograniczyć do niezbędnego minimum. Dlatego do przesyłania prądu na duże odległości stosuje się wysokie napięcie, a małe natężenie. W elektrowniach napięcie wyjściowe wynosi około . Jest ono podwyższane nawet do . W lokalnych punktach (stacjach transformatorowych) obniża się jego wartość stopniowo, aż uzyska się napięcie potrzebne odbiorcy.
Podane wyżej warunki pracy transformatora są uproszczone. W rzeczywistości występują straty energii w transformatorze – przepływ prądu powoduje wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. Jednak zyski z wykorzystania wysokich napięć do przesyłania energii są znacznie większe.
R106yJ7onzosy
zasada zachowania energii
zasada zachowania energii
– energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można jedynie zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie.
transformator
transformator
– urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zmienia parametry prądu elektrycznego.
moc
moc
– szybkość przekazywanej energii. Jednostką mocy w układzie SI jest wat ().
Podsumowanie
Jeżeli w pobliżu przewodnika będziemy zmieniać pole magnetyczne, to między końcami tego przewodnika pojawi się napięcie elektryczne. Zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną.
Jeżeli z takiego przewodnika powstał obwód zamknięty, to popłynie w nim prąd indukcyjny.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej to podstawowe źródło wywarzania energii elektrycznej.
Do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości służą linie wysokiego napięcia.
Stosowanie wysokiego napięcia podczas przesyłania energii elektrycznej powoduje, że zmniejsza się natężenie płynącego prądu a straty związane z emisją ciepła do otoczenia są minimalne.
Transformator jest urządzeniem, które może obniżać lub podwyższać napięcie poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów.
Transformator zbudowany jest z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które są nawinięte na ferromagnetycznym rdzeniu. Podłączenie prądu zmiennego do uzwojenia pierwotnego sprawia, że w uzwojeniu wtórnym zaczyna płynąć prąd. Jest to możliwe dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.
R1HvYmXN9mAgT
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Zasilacz do ładowania wkrętarki akumulatorowej ma napisane: wejście (input) i wyjście (output) , . Czy ten zasilacz obniża, czy podwyższa napięcie? Oszacuj natężenie prądu, jaki popłynie przez uzwojenie pierwotne transformatora, przy założeniu braku strat (z zaokrągleniem do liczby całkowitej).
Rc29aRWmuZ8GG
RNQTGiX3D9zw0
Wartość napięcia po stronie pierwotnego transformatora jest większa niż po stronie wtórnej. Moc wejściowa równa jest mocy wyjściowej.
Zadania podsumowujące lekcję
R16CS6GebkwgX11
Ćwiczenie 5
Rpm8Hkt64NtlI21
Ćwiczenie 6
R1O7ASuftAmfu11
Ćwiczenie 7
Łączenie par. W uzwojeniu pierwotnym transformatora znajduje się zwojów, a w uzwojeniu wtórnym zwojów. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”.. Transformator podwyższa napięcie.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Napięcie na wejściu jest pięciokrotnie niższe niż na wyjściu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. W uzwojeniu pierwotnym transformatora znajduje się zwojów, a w uzwojeniu wtórnym zwojów. Oceń prawdziwość poniższych zdań. Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”.. Transformator podwyższa napięcie.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Napięcie na wejściu jest pięciokrotnie niższe niż na wyjściu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Oceń prawdziwość stwierdzeń na podstawie zdania: W uzwojeniu pierwotnym transformatora znajduje się 50 zwojów, a w uzwojeniu wtórnym 250 zwojów.
Prawda
Fałsz
Transformator podwyższa napięcie.
□
□
Napięcie na wejściu jest pięciokrotnie niższe niż na wyjściu.
□
□
ROaOyN6YlgV0b21
Ćwiczenie 8
Michael Faraday25.08.1867Hampton Court22.09.1791Newington Butts
R1emddzfo8Hol
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 Henry13.05.1878Waszyngton17.12.1797Alabany
RisUp6WPoki5w
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).