To ciekawe

Tytułową „pętlę z przewodnika z prądem” zapewne wyobrażasz sobie tak, jak na Rys. a. Gdyby taką pętlę umieścić w jednorodnym polu magnetycznym np. takim jak na rysunku, to prawdopodobnie nic by się nie wydarzyło.

R1YzaJuEd6uqb

Rys. a. przedstawia pętlę umieszczoną w polu magnetycznym. Cztery równoległe do siebie niebieskie linie pola skierowane są poziomo w prawo. Nad pierwszą linia oznaczenie B z wektorem na górze. Na tle linii pola - pętla w kolorze czarnym o końcach skrzyżowanych na dole rysunku. Czerwone strzałki na pętli skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara oznaczają kierunek prądu płynącego w pętli. Obok pętli, z prawej strony jest oznaczenie natężenia prądu: I.

Chociaż zauważ, że na lewą część pętli działałaby siła elektrodynamiczna skierowana w głąb rysunku, od nas, a na prawą – przeciwnie. Pętla powinna wobec tego się obrócić. Słusznie, ale nie pozwalają na to kable – doprowadzający i odprowadzający prąd. Gdzieś tam jeszcze jest źródło prądu (ogniwo, zasilacz). Wszystko to trzyma pętlę nieruchomo. Trzeba by zastosować specjalny sposób doprowadzenia prądu do pętli, aby umożliwić jej swobodę ruchu i obrót.

O tym, jak się to robi i o konsekwencjach obrotu pętli możesz przeczytać w tym e‑materiale.

Warto przeczytać

Na początek uprościmy pętlę. Wyobrazimy ją sobie jako ramkę. Przecież to też rodzaj pętli. I na razie nie przejmujmy się doprowadzeniem do ramki napięcia. Ten problem rozwiążemy później.

Gdy umieścimy ramkę z prądem w jednorodnymPole jednorodnejednorodnym polu magnetycznymPole magnetycznepolu magnetycznym tak, jak to zostało przedstawione na Rys. 1., to w takim jej położeniu i przy takim kierunku prądu i kierunku wektorów indukcji $\overrightarrow{B}$, siły elektrodynamiczneSiła elektrodynamicznasiły elektrodynamiczne działające na poszczególne boki ramki będą skierowane tak, jak na rysunku. Pod wpływem tych sił ramka zacznie się obracać.

RpDV68oXSoL6d

Rys. 1. przedstawia prostokątną ramkę umieszczoną w polu magnetycznym, na którą działają siły elektrodynamiczne powodujące obrót ramki. Trzy równoległe do siebie niebieskie linie pola skierowane są poziomo w prawo. Pod najniższą linią znajduje się oznaczenie: B z wektorem na górze. Na tle linii pola - ramka w kolorze czarnym umieszczona w płaszczyźnie linii pola magnetycznego. Czerwone strzałki na każdym boku ramki, skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara, oznaczają kierunek prądu płynącego w pętli. przez środek ramki przechodzi oś obrotu narysowana czarna linia przerywaną wraz z zaznaczonym kierunkiem obrotu - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Od dwóch dłuższych boków odchodzą wektory w kolorze zielonym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze; lewy skierowany w pionowo w dół, prawy - pionowo w górę.

Zauważ, że na części ramki położone bliżej nas i dalej od nas siły nie działają (w tym położeniu ramki). Tak jest dlatego, że w tych częściach ramki prądy płyną równolegle do linii pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegolinii pola magnetycznego. Natomiast jeśli ramka się obróci, to siły będą już działać. Zostało to przedstawione na Rys. 2.

R18miOeCDBdCy

Rys. 2. przedstawia prostokątną ramkę umieszczoną w polu magnetycznym, na którą działają siły elektrodynamiczne powodujące obrót ramki. Trzy równoległe do siebie niebieskie linie pola skierowane są poziomo w prawo. Na tle linii pola - ramka w kolorze czarnym umieszczona w płaszczyźnie nachylonej pod katem około 30 stopni do linii pola magnetycznego. Czerwone strzałki na każdym boku ramki, skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara, oznaczają kierunek prądu płynącego w pętli. przez środek ramki przechodzi oś obrotu narysowana czarna linia przerywaną wraz z zaznaczonym kierunkiem obrotu - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Od dwóch dłuższych boków odchodzą wektory w kolorze zielonym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze; lewy skierowany w pionowo w dół, prawy - pionowo w górę. Od dwóch krótszych boków odchodzą wektory w kolorze żółtym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze; bliższy skierowany w do nas, dalszy - w stronę kartki

Teraz na części ramki położone bliżej nas i dalej od nas siły działają, ale ponieważ wektory sił ustawione są w płaszczyźnie ramki, nie wpływają na jej obrót. Ramka będzie się dalej obracała za sprawą sił przyłożonych do boków ramki równoległych do osi. W końcu ramka osiągnie położenie przedstawione na Rys. 3.

RMnOI7Wsfjh2i

Rys. 3. przedstawia prostokątną ramkę umieszczoną w polu magnetycznym, na którą działają siły elektrodynamiczne powodujące obrót ramki. Trzy równoległe do siebie niebieskie linie pola skierowane są poziomo w prawo. Na tle linii pola - ramka w kolorze czarnym umieszczona w płaszczyźnie ustawiona prostopadle do linii pola magnetycznego. Czerwone strzałki na każdym boku ramki, skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (patrząc z prawej strony), oznaczają kierunek prądu płynącego w pętli. Przez środek ramki przechodzi oś obrotu narysowana czarną linią przerywaną wraz z zaznaczonym kierunkiem obrotu - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Od dwóch dłuższych boków odchodzą wektory w kolorze zielonym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze; dolny skierowany w pionowo w dół, górny - pionowo w górę. Od dwóch krótszych boków odchodzą wektory w kolorze żółtym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze; bliższy skierowany w do nas, dalszy - w stronę kartki.

W tym położeniu mamy do czynienia ze stanem równowagi. Ramka, która ma z pewnością jakąś bezwładność będzie się dalej obracała. „Przeleci” przez położenie równowagi. Jak wtedy będą działały siły?

RSKEooM40pNtl

Rys. 4. przedstawia prostokątną ramkę umieszczoną w polu magnetycznym, na którą działają siły elektrodynamiczne powodujące obrót ramki. Trzy równoległe do siebie niebieskie linie pola skierowane są poziomo w prawo. Na tle linii pola - ramka w kolorze czarnym umieszczona w płaszczyźnie nachylonej pod katem około 45 stopni do linii pola magnetycznego. Czerwone strzałki na każdym boku ramki oznaczają kierunek prądu płynącego w ramce. Przez środek ramki przechodzi oś obrotu narysowana czarną linią przerywaną wraz z zaznaczonym kierunkiem obrotu -zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Od dwóch dłuższych boków odchodzą wektory w kolorze zielonym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze;dolny skierowany w pionowo w dół, górny - pionowo w górę. Od dwóch krótszych boków odchodzą wektory w kolorze żółtym wraz z oznaczeniami: Fed z wektorem na górze; bliższy skierowany w do nas, dalszy - w stronę kartki.

Na Rys. 4. pokazana jest taka sytuacja. Wyróżniony ciemnoczerwonym kolorem bok ramki znajdzie się teraz po lewej stronie od położenia równowagi. Tak jak przedtem, prąd w nim płynie do nas. Wobec tego kierunki sił elektrodynamicznych nie zmienią się. Ale będą one teraz hamowały ruch ramki aż do zatrzymania, po czym ramka będzie obracała się przeciwnie – w prawą stronę, zgodnie z ruchem wskazówek zegara (do położenia równowagi). Znowu „przeleci” przez położenie równowagi i sytuacja będzie się powtarzała.

Ramka wobec tego będzie wykonywała drgania wokół swojego położenia równowagi. Jej zachowanie będzie przypominało zachowanie odchylonej od pionu i puszczonej swobodnie huśtawki. Mamy też analogiczny przykład takiego zachowania w magnetyzmie – drgania igły magnetycznej wychylonej z położenia równowagi w polu magnetycznym.

Czy gdzieś takie zachowanie ramki w polu magnetycznym ma swoje zastosowanie? Drgania – raczej nie, ale sam obrót ma zastosowanie w mierniku natężenia prądu, czego tu nie będziemy omawiać.

Natomiast interesujące byłoby uzyskanie ruchu obrotowego, ale nie zwrotnego, jak w omówionym przypadku, ale zachodzącego cały czas w jedną stronę. Mielibyśmy do czynienia wtedy z silnikiem elektrycznym!

Co zrobić, aby ramka obracała się cały czas w tę samą stronę?

Można zmienić kierunek prądu w ramce w odpowiednim momencie, kiedy już wejdzie w położenie równowagi. No i tutaj wreszcie omówimy sprawę doprowadzenia zasilania do ramki. Odbywa się to za pomocą komutatora. To sprytne urządzenie zapobiega skręcaniu się kabli przy obrocie ramki i dodatkowo pozwala zmieniać kierunek prądu co pół okresu obrotu, co sprawi, że ramka będzie poruszała się „na okrągło”.

R1BA6FZMsTFCE

Rys. 5. przedstawia schemat działania komutatora. Na górze rysunku są umieszczone dwa magnesy sztabkowe (z zaznaczonymi na czerwono i niebiesko biegunami), a między nimi prostokątna ramką w płaszczyźnie pionowej, której końce stykają się z komutatorem w kształcie połówek obręczy połączonych z obwodem elektrycznym w kształcie prostokąta ze źródłem prądu +, - na dolnej gałęzi. Między magnesami zaznaczono linie pola magnetycznego skierowane w prawo oraz wektory sił działających na pionowe boki ramki.

Na Rys. 5. przedstawiona jest idea komutatora. Komutator to dwa walcowate, oddzielone izolatorem półpierścienie, których dotykają tzw. szczotki, na stałe połączone z biegunami „+” i „-” źródła napięcia stałego. Pierścienie komutatora połączone są z obracającą się ramką, a szczotki ślizgają się po nich zapewniając zmianę kierunku prądu w ramce co pół okresu obrotu (na Rys. 5. zaznaczone jako ciemnoszare elementy dotykające półpierścieni).

Chodzi o to, żeby na przykład w lewej części ramki w stosunku do osi obrotu prąd płynął cały czas w tę samą stronę. Widzimy, że w czasie obrotu, co pół okresu, części ramki (lewa, prawa) zamieniają się miejscami. Trzeba wobec tego w tym samym rytmie zmieniać w ramce prąd na przeciwny. I to zadanie wykonuje komutator.

Przedstawiliśmy tu z grubsza ideę silnika prądu stałego.

Obrót silnika z pojedynczą ramką byłby niejednostajny, dlatego stosuje się wiele ramek ustawionych pod pewnym kątem w stosunku do siebie. Oczywiście komutator jest odpowiednio podzielony, tak aby pojedynczej ramce zapewnić dwie części leżące naprzeciw siebie. Widać to doskonale na zdjęciu na Rys. 6.

RHfeTQrj3ghmT

Słowniczek

Siła elektrodynamiczna

Siła elektrodynamiczna

(ang. electromagnetic force) – siła, która działa na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Określa ją następujący wzór: ${\overrightarrow{F}}_{ed}=I\cdot \left(\overrightarrow{l}\times \overrightarrow{B}\right)$, gdzie wektor $\overrightarrow{l}$ jest wektorem o długości przewodnika $l$ i kierunku i zwrocie zgodnym z kierunkiem prądu w przewodniku. Wartości siły elektrodynamicznej obliczymy posługując się zależnością:

$$F_{ed}=IlB\cdot sin\sphericalangle \left(\overrightarrow{l},\overrightarrow{B}\right)$$

Występujący w tej zależności wektor ${\overrightarrow{F}}_{ed}$ jest prostopadły zarówno do wektora $\overrightarrow{l}$ jak i do wektora $\overrightarrow{B}$.

Rg1cOMQY24I3z

Rysunek do pojęcia "siły elektrodynamicznej" przedstawia rysunek prawej dłoni z kciukiem skierowanym do góry wraz ze zgiętymi palcami, widzianej od strony wnętrza dłoni. Na tle dłoni umieszczono trzy wektory zaczepione w punkcie we wnętrzu dłoni: pionowy w kolorze zielonym oznaczony: Fed, niebieski skierowany w prawo lekko w górę oznaczony: B oraz czerwony skierowany w prawo lekko w dół oznaczony: I. Między wektorami B i I zaznaczono kąt literą grecką theta.

Zwrot siły elektrodynamicznej wyznaczamy za pomocą reguły śruby prawoskrętnej, co pokazano na rysunku.