5. Do czego może nam się przydać pole magnetyczne? Podsumowanie

Ten materiał jest poświęcony podsumowaniu wiadomości o oddziaływaniach magnetycznych: magnesach stałych i ich biegunach, otaczającym je polu magnetycznym, oddziaływaniu magnesów między sobą i na inne substancje; przedstawieniu Ziemi jako wielki magnes sztabkowy,związku między prądem a magnetyzmem oraz zjawisku indukcji elektromagnetycznej z przykładami jego zastosowania w prądnicy i transformatorze.

Szczegóły znajdziesz w materiałach:

• Oddziaływania magnetyczne;

• Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie;

• Działanie silnika prądu stałego;

• Wzbudzanie przepływu prądu elektrycznego.

R1lmvEDU3QO55

Ilustracja przedstawia ułożenie opiłków żelaznych wokół magnesu sztabkowego. Ilustracja czarno‑biała. W centrum zarysy podłużnego prostokąta. Końce prostokąta podpisane: duża litera N i duża litera S. Wokół prostokąta liczne kropki ułożone w linie. Linie rozchodzą sie promieniście z biegunów i ulegają zakrzywieniu tak, że łączą się ze sobą nad i pod magnesem równolegle do magnesu.

Magnes trwały

RlSSIn8vtGGKd

Ilustracja przedstawia magnesy o różnych kształtach. Białe tło. Na nim widoczne magnesy: u‑kształtny, okrągły, pierścieniowy, podkowiasty, cylindryczny i sztabkowy. Magnes w kształcie pierścienia i magnes okrągły są czarne. Pozostałe magnesy maja bieguny niebieskie oznaczone dużą literą N i bieguny czerwone oznaczone dużą literą S.

Magnes – ciało, które przyciąga żelazo albo przyciąga lub odpycha inne magnesy.

1. Każdy magnes posiada dwa bieguny:

   • północny – oznaczony symbolem $\mathrm{N}$ (od angielskiego słowa north);

   • południowy – oznaczony symbolem $\mathrm{S}$ (od angielskiego słowa south).

2. Magnes podzielony na pół utworzy dwa magnesy, z których każdy będzie miał dwa bieguny.  Nie można rozdzielić biegunów magnetycznych.

3. Bieguny magnesów oddziałują wzajemnie jeden na drugi:

   • jednoimienne się odpychają;

   • różnoimienne się przyciągają.

Pole magnetyczne magnesu

R17dp4sJahyJ9

Ilustracja przedstawia ułożenie opiłków żelaznych wokół magnesu sztabkowego. Ilustracja czarno‑biała. W centrum zarysy prostokąta. Wokół prostokąta liczne wydłużone znaczki w kształcie przecinków ułożone w linie. Linie rozchodzą się promieniście od biegunów i ulegają zakrzywieniu. Największe skupienie znaczków przy biegunach.

1. Przestrzeń wokół magnesu nazywana jest polem magnetycznym. Na umieszczone przedmioty żelazne lub inne magnesy umieszczone w tej przestrzeni działa siła magnetyczna.

2. Pole to można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Ich kształt najłatwiej pokazać za pomocą opiłków żelaznych rozsypanych wokół magnesu.

3. Pole magnetyczne jest najsilniejsze w pobliżu biegunów i właśnie tam linie sił pola są najbardziej zagęszczone.

4. Liniom pola nadaje się zwrot od bieguna północnego $\mathrm{N}$ do bieguna południowego $\mathrm{S}$.

Pole magnetyczne Ziemi. Kompas

R1FH4Odi2wcn8

Ilustracja przedstawia rozkład linii pola magnetycznego Ziemi. Tło czarne. Na środku znajduje prostokątny magnes, a w jego tle Ziemia. Magnes jest lekko wychylony od pionu zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Ziemia ma taką samą średnicę jak wysokość magnesu. Blisko bieguna geograficznego północnego znajduje się część czerwona magnesu z żółtą literą duże es. Blisko bieguna geograficznego południowego jest część niebieska magnesu, z żółtą literą duże en. Od bieguna magnetycznego południowego do bieguna magnetycznego północnego, białymi łukowatymi liniami oznaczono pole magnetyczne Ziemi. Linie znajdują się z obu stron Ziemi. Na liniach umieszczono groty strzałek. Strzałki zwrócone ku biegunowi północnemu.

1. Planeta Ziemia jest źródłem pola magnetycznego.

2. Jego obecność można wykryć za pomocą igły magnetycznej (małego, lekkiego magnesu w kształcie igły), która może się swobodnie obracać. Wszystkie takie igły zostawione swobodnie ustawiają się w kierunku północ – południe.

3. Koniec igły skierowany w kierunku geograficznym północnym nazwano biegunem północnym $\mathrm{N}$.

4. Powyższe właściwości igły magnetycznej wykorzystuje się w działaniu kompasu.

5. Pole magnetyczne Ziemi ma taki kształt, jakby wewnątrz Ziemi znajdował się ogromny magnes sztabkowy.

6. Kompas jest przyrządem, którego zasadniczym elementem jest igła magnetyczna, często mająca kształt strzałki (grot strzałki to biegun $\mathrm{N}$), umieszczona na tle tarczy z podziałka kątową. Igła ta może się obracać w płaszczyźnie poziomej.

   RZkqEfFZVyTDx

   Zdjęcie przedstawia kompas leżący na otwartej dłoni. Kompas przedstawiony jako miedziane koło z szybka na wierzchu. Pod przezroczystą szybką na czarnym tle widać skalę na brzegach koła oraz zaznaczone kierunki. w środku zaczepiona igła magnetyczna w kolorze srebrnym. Przy kółku widać małe miedziane kółko oraz pokrywkę kompasu w kształcie miedzianego koła. Tło jasne rozmazane.

   

7. Południowy biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a północny biegun magnetyczny w pobliżu geograficznego bieguna południowego.

8. Pole magnetyczne Ziemi, zwane też magnetosferą, sięga daleko w przestrzeń kosmiczną – znacznie dalej niż atmosfera.

Substancje magnetyczne

RUJ7J4mABhtTP

Zdjęcie przedstawia ułożone w poziomie jeden za drugim małe magnesy walcowe. Tworzą one bryłę zbliżoną do cienkiego walca. Od tego walca odchodzą w różne strony metalowe igły.

Ze względu na to, jak magnesy oddziałują na inne substancje, dzielimy je na trzy kategorie:

1. Ferromagnetyki – silnie przyciągane przez magnes, w obecności innych magnesów same stają się magnesami.

   • Przykłady: żelazo, kobalt, nikiel, neodym oraz związki i stopy tych metali.

   • Zastosowanie: budowa magnesów trwałych, rdzenie elektromagnesów, rdzenie transformatorów, nośniki pamięci (dyski, dyskietki, taśmy magnetyczne, paski magnetyczne), uchwyty magnetyczne i wiele innych.

2. Paramagnetyki – słabo przyciągane przez magnes.

   • Przykłady: aluminium, sód, potas, lit.

3. Diamagnetyki – słabo odpychane przez magnes.

   • Przykłady: miedź i jej stopy (w tym mosiądz), grafit, bizmut, złoto, woda destylowana, gazy szlachetne, cukry i inne związki organiczne.

Pole magnetyczne prądu

RPmYaYcwRMewo

Ilustracja przedstawia dwa zdjęcia ułożone obok siebie. Ilustracje dotyczą wykonania doświadczenia Oersteda. W centrach obu zdjęć znajduje się kompas z igłą magnetyczną. Nad kompasem przewód. W prawym górnym rogu lewego zdjęcia dłoń na pokrętle zmiany prądu, ustawionym na zerze. Igła kompasu ustawiona wzdłuż przewodu. W prawym górnym rogu prawego zdjęcia dłoń na pokrętle zmiany prądu, ustawionym na około trzydzieści. Igła kompasu odchyliła się zgodnie z biegiem wskazówek zegara.

1. Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół tego przewodnika powstaje pole magnetyczne.

2. Obecność oraz kierunek linii tego pola można wykryć za pocą igły magnetycznej.

3. Kierunek linii sił pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd elektryczny.

4. Powstające wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.

   Rka5OfE2z2pbM

   Zdjęcie przedstawia linie pola magnetycznego wokół przewodnika liniowego. Widoczna jest największa powierzchnia przezroczystej płytki, wypełnionej w środku olejem i opiłkami żelaza. Przez centralną część płytki przewleczono przewodnik tak, że jest on prostopadły do powierzchni płytki. Przewód podłączono pod prąd, dzięki czemu opiłki ułożyły się na okręgach wokół fragmentu przewodnika przechodzącego przez płytkę.

   

5. Układ linii pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika.

   • Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego.

     RjofOSRnEzfFh

     Ilustracja przedstawia zwojnicę na białym tle. Zwojnica jest ustawiona poziomo, jest to spiralnie zawinięty drut, którego oba końce poprowadzone zostały pionowo w dół obrazka. Przy obu końcach litera wielkie i, a obok, na samym drucie, grot strzałki. Prawy grot skierowany w górę. Lewy grot skierowany w dół. Przy końcu spirali od prawej strony litera wielkie es. Przy końcu spirali od strony lewej litera wielkie en. Przez środek spirali przechodzi dziewięć czerwonych linii, poziomych w samym jej środku i zakrzywiających się w miarę odległości od niego. Na liniach groty strzałek. Pierwsze trzy linie od góry tworzą pętle wokół górnej części spirali; na ich górnych częściach (nad spiralą) groty skierowane w prawo. Trzy środkowe nie są zamknięte, ale tylko ta najbardziej w środku jest całkowicie pozioma; górna zakrzywia się do góry, dolna - do dołu; przy obu końcach każdej z linii narysowane groty skierowane w lewą stronę. Trzy dolne linie tworzą pętle wokół dolnej części spirali; na każdej z nich, w dolnej części (a więc pod spiralą) groty skierowane w prawo. Na najwyższych i najniższych punktach spirali narysowano małe czerwone owale; na górnych owalach groty skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara; na dolnych owalach groty skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

     

Elektromagnesy

RxgkMvKNxwp6X

Ilustracja czarno biała przedstawia model prostego transformatora. Na białym tle widać figurę w kształcie odwróconej litery U. Na ramionach nasadzone są walce w postaci szpuli. Całość przytwierdzona do podłoża.

1. Elektromagnes to magnes powstający w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez cewkę.

2. Elektromagnes najczęściej zbudowany jest ze zwojnicy, w której płynie prąd, i ferromagnetycznego rdzenia, wzmacniającego pole magnetyczne.

3. Elektromagnesy oddziałują na siebie wzajemnie i z magnesami: przyciągają się biegunami różnoimiennymi, a odpychają – jednoimiennymi.

4. Przykłady zastosowania elektromagnesów:

   • dźwigi elektromagnetyczne na złomowiskach;

   • zamki i zawory elektromagnetyczne;

   • włączniki i styczniki elektromagnetyczne;

   • akceleratory;

   • urządzenia do magnetycznego rezonansu jądrowego.

Silnik elektryczny

RLsqHwVuppQ4q

Zdjęcie przedstawia model silnika elektrycznego. Do czerwonej podstawki przykręcono kilka elementów z nawiniętymi drutami miedzianymi. Trzy z tych elementów przytwierdzone są do środka osi tak, że zwoje znajdują się prostopadle do osi. Pod nimi przytwierdzony do płytki prostokątny element, również z nawiniętym drutem. Po obu stronach środka osi, nieznacznie oddalone od zwojów z drutem, łukowato zagięte szare magnesy.

1. Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną.

2. Siła ta działa prostopadle do przewodnika oraz prostopadle do linii pola magnetycznego. Zależy od kierunku i natężenia prądu oraz od ustawienia przewodnika względem linii pola.

3. Oddziaływanie to można wyjaśnić na podstawie oddziaływania magnesu z polem magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w przewodniku.

4. Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem znalazło zastosowanie w silnikach elektrycznych.

5. W silniku elektrycznym energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.

6. Silnik na prąd stały zbudowany jest z:

   • stojana – tworzą go magnesy trwałe lub elektromagnesy;

   • wirnika – ułożyskowanej zwojnicy, umieszczonej między magnesami, czyli wewnątrz stojana.

     RvcrGs4UlGEzf

     Ilustracja przedstawia model przekroju urządzenia stojącego na białym blacie stołu. W tle ściana i otwarte drzwi. Urządzenie to bryła w kształcie poziomego walca przytwierdzonego śrubami do blatu stołu. Bryła nie ma gładkich ścian, w przekroju poprzecznym widoczne wystające prostokątne blaszki. Wewnątrz metalowy wał, na którym nasadzony jest metalowy walec z blaszkowatymi podstawami, dwa pierścienie w pewnych odległościach od walca oraz czerwony wiatrak z lewej strony w kształcie blaszek na kole. Widać pokrywę wiatraka jako szarą metalową ściankę z otworami.

     

7. Wirnik, w którym płynie prąd, staje się elektromagnesem, który oddziałuje na magnesy. Dzięki temu wirnik się obraca.

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

RlVIkTxPz2pwh

Ilustracja przedstawia trzy elementy połączone ze sobą. Tło białe. Po lewej stronie jest miliamperomierz w kształcie czarnego prostokąta z białą skalą, w prawym dolnym rogu podłączona do niego, pionowo ustawiona cewka w kształcie walca z nawiniętym drutem, w prawym górnym rogu, nad środkiem cewki, pionowo ustawiony magnes sztabkowy, zwrócony biegunem duże es (kolor czerwony) w stronę cewki, a więc biegunem duże en (kolor niebieski) do góry. Wskazówka miliamperomierza wskazuje zero.

1. Względny ruch magnesu i przewodnika sprawia, że zaczyna płynąć prąd. Nazywamy go prądem indukcyjnym.

2. W przewodniku umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym powstaje napięcie elektryczne – zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną.

3. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zostało odkryte niezależnie przez dwóch naukowców – Michaela Faraday'aMichael FaradayMichaela Faraday'a i Josepha Henry'egoJoseph HenryJosepha Henry'ego.

Prądnica i transformator

RO82FNkfFiLzo

Ilustracja przedstawia szary kwadratowy pierścień. Wewnątrz pierścienia widać zwoje drutu nawinięte na owalny walec. Na górnej ściance pierścienia rzędy wypustek oraz fragmenty kolorowych drutów. Tło białe.

1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej znalazło zastosowanie w prądnicach i transformatorach prądu zmiennego.

2. W prądnicy energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną.

3. Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (tzw. dynamo).

4. Transformator to urządzenie służące do obniżania lub podwyższania napięcia elektrycznego.

5. Prądnica (generator prądu) to zwojnica obracająca się w polu magnetycznym.

   REHpZBTQ0RAef

   Ilustracja przedstawia górną połowę koła roweru ze szprychami na białym tle. Na pierwszym planie widzimy zaświeconą żarówkę zasilaną przez dynamo. Żarówka przyczepiona jest do szprychy koła roweru tuż przy oponie. Przekrój dynamo ukazuje dwa magnesy krążące za pomocą przekładni zasilanej obrotem koła rowerowego na drugim planie wokół uzwojenia.

   

6. Przepływ prądu zmiennego w uzwojeniu pierwotnym wzbudza przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym. Jest to możliwe dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

7. Za pomocą liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięcie powstające na uzwojeniu wtórnym. Przedstawia to proporcja:

   $$\frac{\mathrm{napięcie\; wyjściowe}}{\mathrm{napięcie\; wejściowe}}=\frac{\mathrm{liczba\; zwojów\; uzwojenia\; wtórnego}}{\mathrm{liczba\; zwojów\; uzwojenia\; pierwotnego}}$$

   lub

   $$\frac{U_w}{U_p}=\frac{z_w}{z_p}$$

Zadania

Polecenie 2

Narysuj kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy.

RLPVz7TCe2OA3

Opisz kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy. Notatki możesz zapisać w polu poniżej.

RP9OhLQN2SYNb

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

RUAso7PcDevi6

Ilustracja. Na białym tle poziomo ustawiona zwojnica - spiralnie zawinięty drut, którego oba końce poprowadzone zostały pionowo w dół obrazka. Przy obu końcach litera wielkie i, a obok, na samym drucie, grot strzałki. Prawy grot skierowany w górę. Lewy grot skierowany w dół. Przy końcu spirali od prawej strony litera wielkie es. Przy końcu spirali od strony lewej litera wielkie en. Przez środek spirali przechodzi dziewięć czerwonych linii, poziomych w samym jej środku i zakrzywiających się w miarę odległości od niego. Na liniach groty strzałek. Pierwsze trzy linie od góry tworzą pętle wokół górnej części spirali; na ich górnych częściach (nad spiralą) groty skierowane w prawo. Trzy środkowe nie są zamknięte, ale tylko ta najbardziej w środku jest całkowicie pozioma; górna zakrzywia się do góry, dolna - do dołu; przy obu końcach każdej z linii narysowane groty skierowane w lewą stronę. Trzy dolne linie tworzą pętle wokół dolnej części spirali; na każdej z nich, w dolnej części (a więc pod spiralą) groty skierowane w prawo. Na najwyższych i najniższych punktach spirali narysowano małe czerwone owale; na górnych owalach groty skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara; na dolnych owalach groty skierowane zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Wskazówka do Polecenia 7. Siła elektrodynamiczna to siła, która działa na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Jest ona maksymalna, gdy przewodnik jest prostopadły do linii pola magnetycznego, a równa zero, gdy jest on równoległy do linii pola magnetycznego. Reguła lewej dłoni służy do określania zwrotu siły elektrodynamicznej: Ustaw lewą dłoń tak, aby do dłoni wchodziły linie pola magnetycznego, a cztery wyprostowane palce wskazywały zwrot prądu w przewodniku. Wtedy odchylony kciuk wskaże zwrot siły elektrodynamicznej.

Polecenie 7

Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczono pomiędzy biegunami magnesu. Narysuj wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki. Skorzystaj z reguły lewej dłoni.

Uwaga: na lewym rysunku przewodnik jest umieszczony prostopadle do płaszczyzny kartki i prąd w nim płynie do czytelnika, a na prawym rysunku prąd płynie w głąb kartki.

RoTCqBsUHjBrO

Dwa magnesy w kształcie podkowy, między ich biegunami, prostopadle do płaszczyzny obrazu, umieszczono przewodniki. Lewa podkowa skierowana jest biegunami w dół, z lewej strony biegun czerwony, z prawej strony biegun niebieski, między biegunami narysowane kółko z kropką w środku. Prawa podkowa skierowana jest biegunami w górę, z lewej strony biegun niebieski, z prawej strony biegun południowy, między biegunami narysowane kółko z krzyżykiem w środku.

R4CC7SxKnEts7

Ilustracja przedstawia cienką szarą ramkę na białym tle.

Ilustracja przedstawia cienką szarą ramkę na białym tle.

Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczono pomiędzy biegunami magnesu. Jak są skierowane wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki?

Uwaga: na lewym rysunku przewodnik jest umieszczony prostopadle do płaszczyzny kartki i prąd w nim płynie do czytelnika, a na prawym rysunku prąd płynie w głąb kartki.

Rrtv9DneGg0BJ

Dwa magnesy w kształcie podkowy, między ich biegunami, prostopadle do płaszczyzny obrazu, umieszczono przewodniki. Lewa podkowa skierowana jest biegunami w dół, z lewej strony biegun en, z prawej strony biegun es, w środku przewodnika narysowana kropka. Prawa podkowa skierowana jest biegunami w górę, z lewej strony biegun es, z prawej strony biegun en, w środku przewodnika narysowany iks.

RcRMMLhNexo46

(Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

Ro6lhYTjHRYIe

Dwa magnesy w kształcie podkowy, między ich biegunami, prostopadle do płaszczyzny obrazu, umieszczono przewodniki. Lewa podkowa skierowana jest biegunami w dół, z lewej strony biegun en, z prawej strony biegun es, w środku przewodnika narysowana kropka, wektor siły skierowany do środka podkowy (do góry). Prawa podkowa skierowana jest biegunami w górę, z lewej strony biegun es, z prawej strony biegun en, w środku przewodnika narysowany iks, wektor siły skierowany na zewnątrz podkowy (do góry).

Michael Faraday25.08.1867Hampton Court22.09.1791Newington Butts

R9vgMatwJowVa

Rycina przedstawia portret Michaela Farady'a. Widać na nim twarz oraz ramiona mężczyzny w średnim wieku z bokobrodami, falowanymi włosami zaczesanymi na boki i postawionym na sztorc kołnierzykiem koszuli.

Michael Faraday

1791.09.22 Newington Butts – 1867.08.25 Hampton Court

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

Czarno‑białe zdjęcie przedstawia portret Josepha Henry'ego. Mężczyzna w średnim wieku, ustawiony półprofilem w stronę obiektywu, ma jasne krótkie włosy zaczesane do tyłu. Ubrany jest w szarą marynarkę i białą koszulę z jasnym fularem zawiązanym pod szyją.

Joseph Henry

1797.12.17 Alabany – 1878.05.13 Waszyngton

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).