To ciekawe

W jaki sposób wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej w praktyce, aby wytwarzać siłę elektromotoryczną w sposób ciągły - w dłuższym okresie czasu?

Takim prostym i pomysłowym urządzeniem jest prądnica, która realizuje ideę źródła energii elektrycznej odmiennego niż ogniwo.

Prądnica jest urządzeniem powszechnie wykorzystywanym.

Po pierwsze stosuje się ją w elektrowniach, gdzie służy do wytwarzania energii elektrycznej. Ta energia jest następnie przekazywana za pomocą sieci energetycznej między innymi do Twojego domu. Taka prądnica działająca w elektrowni zwana jest generatorem elektrycznym (zobacz Rys. a.).

RuC86hoq5VYZQ

Rys. a. Zdjęcie przedstawia kilka generatorów w kształcie wielkich, pionowych walców ze skomplikowaną aparaturą na górnej podstawie.

Prądnica używana w samochodzie do ładowania akumulatora podczas jazdy to alternator (zobacz Rys. b.)

R7jdaEMxrZ0lf

Rys. b. Zdjęcie przedstawia alternator samochodowy, który ma kształt walca. W szczelinach obudowy widać przewody nawinięte na rdzeń.

Z kolei, stosowane w rowerze dynamo przedstawione na Rys. c., to prądnica będąca źródłem energii dla lampki rowerowej. (To rozwiązanie wypierane jest przez stosowanie „bateryjki” (ogniwa) do zasilania lampek LED, które mają niewielką moc.)

Rc0f2MjfqfZd2

Rys. c. Zdjęcie przedstawia dynamo rowerowe. To niewielki walec przymocowany do ramy roweru w pobliżu koła. Wychodzą z niego przewody elektryczne.

No i w końcu ważnym zastosowaniem prądnicy jest agregat prądotwórczy (zobacz Rys. d.). Jest to przenośna prądnica wytwarzająca energię elektryczną z wykorzystaniem silnika spalinowego. Stosuje się ją w sytuacjach awaryjnych (np. w szpitalach) lub tam, gdzie nie została doprowadzona sieć energetyczna.

RnYwzIT2l2bKi

Rys. d. Zdjęcie przedstawia agregat prądotwórczy. Wewnątrz metalowego stelażu widać dwa walce.

Warto przeczytać

Prąd indukcyjny wzbudzany jest w obwodzie zamkniętym wtedy, gdy zachodzi ruch magnesu względem tego obwodu. Przy czym liczba linii pola magnetycznego przechodzących przez obwód musi się zmieniać.

Opiszemy tutaj prądnicę szkolną, gdzie wykorzystuje się ruch obrotowy ramki umieszczonej w polu magnetycznym tak, że oś ramki jest prostopadła do linii pola magnetycznego. Rysunek zamieszczony poniżej przedstawia model prądnicy.

RS8UCCehTIJO9

Rys. 1. Pole magnetyczne wytwarzane jest przez dwa magnesy położone jeden nad drugim. Górny magnes ma biegun N na dole, dolny magnes ma biegun S na górze. Między magnesami znajduje się prostokątna ramka z drutu, która może obracać się wokół poziomej osi, będącą osią symetrii ramki. Na lewym boku ramki druty nie łączą się, tylko wychodzą na zewnątrz równoległymi, poziomymi odcinkami. Do każdego odcinka przymocowany jest metalowy pierścień. Oba pierścienie obracają się wraz z obrotem ramki. Do każdego pierścienia przylega elastyczna blaszka, zwana szczotką. Blaszka ślizga się po pierścieniu, gdy pierścień się obraca. Do tych szczotek przyłączone są przewody obwodu zewnętrznego, zawierającego odbiornik prądu.

Napięcienapięcie elektryczneNapięcie uzyskiwane podczas obrotu ramki za sprawą indukcji elektromagnetycznejzjawisko indukcji elektromagnetycznejindukcji elektromagnetycznej ma charakter okresowy. Tak jak charakter okresowy ma ułożenie ramki w stosunku do linii pola magnetycznego. Okazuje się, że to napięcienapięcie elektrycznenapięcie zmienia się sinusoidalnie w czasie:

gdzie $\omega$ jest prędkością kątowąprędkość kątowaprędkością kątową obracającej się ramki.

Wykres zależności $U\left(t\right)$ przedstawiony jest poniżej.

R1LeJcuJVb6C0

Rys. 2. Na rysunku jest wykres, na którego poziomej osi odłożono czas, t, a na pionowej osi napięcie wytwarzane przez prądnicę, duże U. Wykres ma kształt sinusoidalny. Dla t równego zero, wartość napięcia jest maksymalna, oznaczona literą duże U z indeksem dolnym max. Przy następnym maksimum poprowadzona jest pionowa, przerywana linia, przy której na osi poziomej zapisano literę duże T.

Wartość maksymalna napięcia UIndeks dolny max_max wyrażona jest następująco:

gdzie n jest liczbą ramek w uzwojeniu, B – wartością indukcji magnetycznejzjawisko indukcji elektromagnetycznejindukcji magnetycznej w prądnicy, S – wartością pola powierzchni ramki. Tak więc większą liczbę ramek w uzwojeniu stosujemy po to, żeby zwielokrotnić uzyskiwane napięcienapięcie elektrycznenapięcie. Dla danej prądnicy, czyli ustalonych wartości n, B i S, maksymalna wartość napięcia UIndeks dolny max_max jest wprost proporcjonalna do prędkości kątowej $\omega$ obracającej się ramki (uzwojenia). Przedstawia to wykres na Rys. 3.

R1FIQE7gwA8Rl

Rys. 3. Na rysunku jest wykres, na którego poziomej osi odłożono prędkość kątową ramki, oznaczoną grecką literą omega, a na pionowej osi odłożono maksymalną wartość napięcia, duże U z indeksem dolnym max. Wykres jest linią prostą o początku w punkcie przecięcia obu osi. Prosta skierowana jest ukośnie w górę i w prawo.

Warto zwrócić uwagę na wyprowadzenie napięcianapięcie elektrycznenapięcia z prądnicy. Zastosowana musi być w tym miejscu konstrukcja zapobiegająca skręcaniu się przewodów podczas obrotu ramki. Temu właśnie służą pierścienie ślizgające się po szczotkach.

Wytwarzając prąd w ramce musimy wykonywać pracę. Przecież z przepływem prądu w przewodniku wiąże się wydzielanie w nim ciepła. Zgodnie z prawem Joule'a‑Lenza ilość ciepła $Q$ wyemitowanego przez przewodnik podczas przepływu prądu:

gdzie:

$I$ – natężenie prądu, $R$ – opór elektryczny przewodnika, $t$ – czas przepływu prądu.

Prąd może również wykonać pracę mechaniczną (w silniku elektrycznym).

Rd6YOY9N1AM0P

Rys. 4. Na ilustracji pokazany jest przekrój silnika elektrycznego. Cylindryczna obudowa jest otwarta z jednej strony. Wewnątrz widać zwojnicę, czyli gruby cylinder, na który ciasno nawinięty jest przewód elektryczny. W osi cylindra znajduje się metalowy pręt.

Dzięki prądowi może być także wytwarzane światło i dźwięk. To wszystko są formy energii, a ta, jak wiemy, nie powstaje z niczego. Zatem, jeszcze raz podkreślmy: obracając ramkę w polu magnetycznym musimy wykonywać pracę.

Słowniczek