Przeczytaj

Zapewne wiesz, że w wielu urządzeniach gospodarstwa domowego, w takich jak odkurzacz, pralka, zmywarka, wiertarka, znajduje się silnik elektryczny. Bez tego elementu te urządzenia nie mogłyby działać. Coraz bardziej popularne są również silniki elektryczne pracujące w pojazdach – samochodach, rowerach, hulajnogach, a także w łodziach motorowych.

R129ao2IjGeX1

Rys. a. Zdjęcie poglądowe przedstawia w dużym powiększeniu piastę rowerową tylnią z podłączonym do niej silnikiem elektrycznym.

Oczywiście nie miejsce tu na szczegółowy opis silnika, ale trzeba wiedzieć, że silnik elektryczny działa dzięki sile działającej na przewodnik z prądem ze strony pola magnetycznego. To tak zwana siła elektrodynamiczna

RNST1VGf5pdiR

Rys. b. Rysunek przedstawia prostokątną ramkę z prądem, umieszczoną w jednorodnym polu magnetycznym tak, że płaszczyzna ramki jest równoległa do linii pola. Linie narysowane są w postaci niebieskich równoległych kresek z grotami oznaczającymi zwrot linii pola. Ramka może obracać się wokół osi prostopadłej do linii pola. Zaznaczony jest wektor indukcji magnetycznej wielkie B, kierunek prądu wielkie I oraz para sił wielkie F z indeksem dolnym ed (wektory siły elektrodynamicznej), które powodują obrót ramki. Możliwość obrotu jest zaznaczona w postaci zakręconej wokół osi strzałki.

Jeśli wyobrazisz sobie obwód z prądem w kształcie ramki osadzonej na osi, to jeśli umieścisz tę ramkę w polu magnetycznym o liniach jak na Rys. b, to ramka obróci się. No i to jest podstawa działania silnika! Więcej o sile elektrodynamicznej dowiesz się studiując ten e‑materiał.

Jeśli przewodnik, w którym płynie stały prąd o natężeniu $I$, umieścimy w jednorodnym polu magnetycznymPole magnetycznepolu magnetycznym o indukcji $\overrightarrow{B}$, to na fragment przewodnika o długości $l$ będzie działała siła elektrodynamiczna o wartości:

gdzie $\alpha$ jest kątem pomiędzy przewodnikiem i liniami pola magnetycznegoLinie pola magnetycznegoliniami pola magnetycznego (zobacz Rys. 1.).

R1SLMAioY3aLZ

Rys. 1. Na rysunku przedstawiono prostoliniowy przewodnik z prądem w postaci poziomej czerwonej linii, zaznaczono kierunek prądu, wielkie I, w prawo. Przewodnik znajduje się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji wielkie B, którego linie tworzą kąt alfa z przewodnikiem i są zwrócone ukośnie do dołu w prawo. Kąt zaznaczony jest na rysunku między czerwoną linią wielkie I oraz czarną, wektor wielkie B. Zielonym krzyżykiem w kółku zaznaczono wektor siły elektrodynamicznej, który działa na element przewodnika o długości wielkie l. Oznacza on, że siła jest prostopadła do płaszczyzny rysunku o zwrocie za rysunek.

Siła elektrodynamiczna $\vec{F_{ed}}$ skierowana jest prostopadle do płaszczyzny rysunku „od nas”, co symbolicznie pokazane jest na rysunku. Siła przyłożona jest do przewodnika, ale zaczepienie w przewodniku wektora $\vec{F_{ed}}$ spowodowałoby utratę czytelności rysunku.

Jak wnioskujemy z podanej zależności, wartość siły jest wprost proporcjonalna do wartości natężenia prądu, długości przewodnika i wartości indukcji magnetycznej, ale zależy też od wartości sinusa kąta między przewodnikiem i liniami pola magnetycznego. Gdy przewodnik z prądem ustawiony jest równolegle do linii pola ($\alpha$ = 0 lub $\alpha$ = 180°), żadna siła nie działa – sin $\alpha$ równy jest wtedy 0. Z kolei siła będzie miała maksymalną wartość, gdy linie pola będą ustawione prostopadle do przewodnika (sin 90° = 1).

Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej możemy wyznaczyć korzystając z reguły lewej dłoni, przedstawionej na Rys. 2.

R1AtigmJ9kLlc

Rys. 2. Narysowano lewą dłoń, a obok trzy prostopadłe do siebie wektory o wspólnym początku. Dłoń jest ustawiona tak, że cztery palce wskazują wektor wielkie l (kierunek płynącego prądu), wektor wielkie B (linie pola magnetycznego) „wchodzą” w dłoń od wewnątrz, a kciuk wskazuje wektor siły elektrodynamicznej wielkie F z indeksem dolnym ed.

Jeśli lewą dłoń skierujemy czterema palcami wzdłuż przewodnika w kierunku przepływającego prądu, a linie pola magnetycznego będą „wchodziły” w dłoń, to kciuk pokaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej.

Spróbujemy teraz nową wiedzę zastosować do przykładu z ramką rozważanego w tekście wstępnym. Wyznaczymy kierunki sił działających na poszczególne boki ramki. Zobacz Rys. 3.

RvMIsKa7DeudV

Rys. 3. Rysunek podobny do Rys. b. we Wprowadzeniu. Przedstawia prostokątną ramkę z prądem, umieszczoną w jednorodnym polu magnetycznym tak, że płaszczyzna ramki jest równoległa do linii pola (kierunek poziomy, zwrot w prawo). Ramka może obracać się wokół osi prostopadłej do linii pola. Zaznaczony jest wektor indukcji magnetycznej wielkie B (zwrot w prawo), kierunek prądu wielkie I (zgodny z ruchem wskazówek zegara) oraz dwa równej długości wektory siły elektrodynamicznej, działającej na boki ramki prostopadłe do linii pola, które powodują obrót ramki w lewo wielkie F z indeksem dolnym e d.

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 magnetycznego. Natomiast jeśli ramka się obróci, to siły będą działać. Zostało to przedstawione na Rys. 4.

RF1blJkO9YtkO

Rys. 4. Narysowana jest ramka z prądem w polu magnetycznym. Obrócona jest o niewielki kąt, w lewo, względem linii sił pola magnetycznego wektor wielkie B. Oprócz wektorów sił, zaznaczonych na Rys. 3, narysowane są siły elektrodynamiczne, działające na dwa pozostałe boki ramki. Wektory tych sił leżą na osi obrotu ramki i mają tą samą długość, a przeciwne zwroty. Skierowane się na zewnątrz ramki z prądem .

Teraz na części ramki położone bliżej nas i dalej od nas siły działają, ale ponieważ ustawione są w płaszczyźnie ramki, nie wpływają na jej obrót.

Słowniczek