Multimedia

Filmy i animacje o magnetyzmie:









Silnik Elektryczny:


Prosty silnik:


Lewitator magnetyczny:


Pole magnetyczne:

1.Opis pola magnetycznego magnesu

• Pole magnetyczne to przestrzeń, w której występują oddziaływania magnetyczne. Źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki elektryczne.

• Oddziaływania magnetyczne mogą mieć charakter przyciągający (pomiędzy biegunami różnoimiennymi N i S) lub odpychający (pomiędzy biegunami jednoimiennymi N i N oraz S i S).

• Linie pola magnetycznego wyznaczają hipotetyczne tory, po których poruszałby się pojedynczy biegun magnetyczny N. W miejscach większego zagęszczenia linii oddziaływania magnetyczne są silniejsze. Linie pola magnetycznego, w przeciwieństwie do linii pól: grawitacyjnego i elektrostatycznego, są zawsze zamknięte (zaczynają się na biegunie N, kończą na biegunie S).

• Pola magnetyczne magnesów stałych: sztabkowego i podkowiastego przedstawione zostały na rysunkach:Pole wewnątrz magnesu podkowiastego jest polem jednorodnym.

• Ziemia jako magnes – magnetyzm ziemski wiąże się prawdopodobnie z poruszającymi się ładunkami elektrycznymi w gorącym jądrze Ziemi. Znajdują się tam metale w stanie zjonizowanym. Na skutek obrotu Ziemi wokół własnej osi swobodne elektrony i dodatnie jony metali stanowią swoiste prądy wirowe.

Linie pola magnetycznego uzyskane za pomocą opiłków ferromagnetycznego żelaza dookoła magnesu sztabkowego:

2.Pole magnetyczne przewodnika z prądem

Źródłem pola magnetycznego jest także przewodnik z prądem.

Linie pola mają kształt współśrodkowych okręgów, których środek jest zgodny ze środkiem przewodnika.

Zwrot linii pola można określić za pomocą "reguły korkociągu" lub "reguły śruby prawoskrętnej".

Doświadczenie

Pole magnetyczne pętli kołowej z prądem.

Pole magnetyczne zwojnicy z prądem.

Właściwość przestrzeni wokół przewodnika z prądem elektrycznym, w której na inne przewodniki z prądem lub swobodnie poruszające się ładunki elektryczne działają magnetyczne, nazywamy polem magnetycznym.

3.Cewka zwojnica

Cewka (zwojnica, solenoid, rzadziej induktor) jest biernym elementem elektronicznym i elektrotechnicznym.

Cewka składa się z pewnej liczby zwojów drutu lub innego przewodnika nawiniętych np. jeden obok drugiego na powierzchni walca (cewka cylindryczna), na powierzchni pierścienia (cewka toroidalna) lub na płaszczyźnie (cewka spiralna lub płaska). Wewnątrz zwojów może znajdować się dodatkowo rdzeń z materiału diamagnetycznego lub ferromagnetycznego

Diamagnetyzm – zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Zjawisko odwrotne do diamagnetyzmu to paramagnetyzm.

Przyczyną diamagnetyzmu jest fakt, że zewnętrzne pole magnetyczne zmienia tor elektronów na orbitach (jakby indukuje w układzie prad elektryczny), który powoduje powstanie pola magnetycznego, skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego.

Diamagnetyzm występuje we wszystkich substancjach, ale zwykle jest maskowany przez silniejszy paramagnetyzm. Wyjątkiem są przeważnie zwiazki chemiczne posiadające wiązania wielokrotne.

Ferromagnetyk to cialo, które wykazuje własności ferromagnetyczne. Znajdują się w nim obszary stałego namagnesowania ,wytwarzające wokół siebie pole magnetyczne (jak małe magnesy). Do ferromagnetyków należą m.in. zelazo, kobalt nikieli niektóre stopy oraz metale przejściowe z grupy żelaza

Ferromagnetyki posiadają właściwości ferromagnetyczne poniżej temperatury Curie Występuje w nich zjawisko nasycenia magnetycznego - wszystkie elementarne dipole magnetyczne ustawiają się w kierunku zewnętrznego pola magnetycznego.

4.Siła elektrodynamiczna

U podstaw działania silnika elektrycznego leży zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej.


W zależności od kierunku prądu płynącego w przewodniku jest on wypychany lub wciągany do wnętrza pola wytwarzanego przez magnes. Siłą odpowiedzialną za ruch przewodnika jest siła elektrodynamiczna.

Siła elektrodynamiczna działa w kierunku prostopadłym do płaszczyzny utworzonej przez przewód z prądem i linie indukcji pola magnetycznego, zwrot siły wyznaczamy stosując zasadę lewej ręki (lub śruby prawoskrętnej).


Zasada lewej ręki


Jeżeli lewą rękę ustawimy w polu magnetycznym w taki sposób, że linie pola magnetycznego (od N do S) są skierowane do jej wewnętrznej strony, a wyprostowane palce wskazują kierunek przepływu prądu (od + do -), to odchylony kciuk wskaże kierunek działania siły elektrodynamicznej.


Wartość siły elektrodynamicznej jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w przewodniku i do długości odcinka przewodnika znajdującego się w polu magnetycznym.

F = B I L sinα
gdzie:
F - siła elektrodynamiczna
B - indukcja magnetyczna
I - natężenie prądu w przewodniku
l - długość przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznym
α - kąt pomiędzy kierunkiem prądu w przewodniku a kierunkiem linii pola magnetycznego

5.Siła Lorentza

Siła Lorentza — siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Wzór podany został po raz pierwszy przez Lorentza i dlatego nazwano go jego imieniem.

Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pola magnetycznego:


gdzie:

F – siła (w niutonach),
E – natężenie pola elektrycznego (w woltach / metr),
B – indukcja magnetyczna (w teslach),
q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach),
v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę),
× – iloczyn wektorowy.

Kierunek działania siły Lorentza w zależności od ładunku cząsteczki:

6.Silnik elektryczny asynchroniczny

Silnik elektryczny asynchroniczny

Silniki indukcyjne 746 W i 25 W, oraz silniki do napędu zabawek i głowic odtwarzaczy CD/DVD

Silnik elektryczny asynchroniczny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.

Budowa i zasada działania

schemat wirnika klatkowego

Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Przemienny prąd w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz w taki sposób, że wypadkowe pole jest polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika silnik indukcyjny) powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod wpływem której płynie przez uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego i ruch.

Siła elektromotoryczna w uzwojeniach wirnika powstaje gdy wirnik obraca się z prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego. W typowych silnikach przy obciążeniu znamionowym jest to o dwa do czterech procent mniej niż szybkość wirowania pola magnetycznego (poślizg). Silnik asynchroniczny bez obciążenia uzyskuje obroty prawie równe obrotom silnika synchronicznego(poślizg<1%).

Efekt wirowania pola jest uzyskiwany automatycznie w instalacjach trójfazowych, w instalacjach jednofazowych konstruuje się układy uzwojeń, w których płynie prąd z przesunięciem fazowym, co uzyskuje się przez zasilanie jednej fazy uzwojenia przez kondensator lub dodatkowe uzwojenie zwarte. Prędkość wirowania silnika zależy od prędkości wirowania pola stojana. Prędkość wirowania pola stojana zależy od częstotliwości napięcia zasilania oraz od konstrukcji uzwojeń (tzw. liczby par biegunów).

Uzwojenia wirnika mogą być wewnętrznie połączone (zwarte - silnik zwarty) lub ich końcówki są przyłączone do pierścieni ślizgowych przekazujących przez szczotki prąd na zewnątrz silnika (silnik pierścieniowy). Wyprowadzone na zewnątrz uzwojenia są połączone przez oporniki lub zwarte. Oporniki podłącza się na czas rozruchu silnika, następnie zmniejsza się opór i zwiera uzwojenia. Oporniki ograniczające prąd uzwojeń wirnika stosuje się w celu zwiększenia momentu obrotowego i zmniejszenia prądu pobieranego przez silnik (by nie przeciążyć instalacji zasilającej) szczególnie podczas rozruchu silnika lub w celu uzyskania łagodnego startu silnika.

Szczególnym przypadkiem silnika zwartego (w zasadzie obecnie głównie takie są produkowane), jest silnik klatkowy. Rdzeń wirnika w takim silniku ma kształt klatki dla wiewiórki lub chomika (stąd angielska nazwa - squirrel cage motor). Uzwojenia wirnika otrzymuje się poprzez zalanie klatki aluminium, bądź (szczególnie w silnikach większych mocy) klatka wykonana jest ze spawanych mosiężnych prętów. Silnik klatkowy charakteryzuje wyjątkowo wysoka trwałość, brak przekazywania prądu do części ruchomych przez styki eliminuje iskrzenie i zużywanie się szczotek. Jedynymi elementami podlegającymi zużyciu są w nim łożyska. Jego wadą jest trudny rozruch: przy dużym (bliskim znamionowemu) obciążeniu, silnik może w ogóle nie ruszyć z miejsca, natomiast przy niewielkim lub braku obciążenia rusza bardzo gwałtownie. Regulacja prędkości obrotowej przy zasilaniu bezpośrednio z sieci jest niemożliwa.

7.Cyklotron

Cyklotron — najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym.

W akceleratorach cyklicznych, także w cyklotronie, przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych, przebiegając wielokrotnie przez obszar w którym są przyspieszane.

Cyklotron składa się z elektromagnesu wytwarzającego pole magnetyczne i komory próżniowej, w której umieszczono dwie półkoliste elektrody zwane duantami. Między elektrodami wytwarzane jest za pomocą generatora wysokiej częstotliwości zmienne pole elektryczne. W centrum cyklotronu znajduje się źródło cząstek naładowanych elektrycznie lub cząsteczki te są wprowadzane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość generatora jest równa częstotliwości obiegu cząstek, to są one przyspieszane podczas przelotu między duantami. Cząstki o innym czasie przelotu są okresowo przyspieszane i hamowane i w końcu uderzają w duanty. Cząsteczki o większej energii poruszają się po większym promieniu. Gdy promień toru ruchu cząstki jest odpowiednio duży, może ona opuścić akcelerator; pomocna w tym może być dodatkowa elektroda kierująca cząstki w odpowiednią stronę.

Częstotliwość cyklotronowa
Na cząstkę poruszającą się prostopadle do pola magnetycznego działa siła Lorentza prostopadła do wektorów prędkości i indukcji pola magnetycznego; siła ta pełni rolę siły dośrodkowej:

Gdzie m to masa cząstki, q jej ładunek, v prędkość, r to promień toru ruchu, B – indukcja pola magnetycznego.

Przekształcając:

v/r odpowiada prędkości kątowej ω, dlatego

Co odpowiada częstotliwości

Ze wzoru tego wynika, że częstotliwość rezonansowa nie jest zależna od prędkości cząstek, ale - przy stałym polu magnetycznym - zależy od stosunku ładunku do masy cząstki. Własność ta sprawia, że cyklotron przyspiesza tylko jeden rodzaj cząstek, co może być jego wadą, ale też zaletą. Cechę tę wykorzystuje się do separacji cząstek w analizatorach mas stosowanych w różnych spektrometrach masy.

Promieniowanie cyklotronowe
Cząstka naładowana, poruszając się w polu magnetycznym, wysyła promieniowanie zwane promieniowaniem cyklotronowym. Jego moc rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu prędkości przyspieszanych cząstek, co powoduje zmniejszenie ich energii. Moc tę wyraża wzór:


gdzie:
σ – całkowity przekrój czynny Thompsona,
B – indukcja magnetyczna,
μ0 – przenikalność magnetyczna próżni,
c – prędkość światła,
v – składowa prędkości prostopadła do wektora B.

8.Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michała Faradaya.

Zjawisko indukcji opisuje prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya:

gdzie:

to indukowana siła elektromotoryczna (SEM) w woltach;

ΦB to strumień indukcji magnetycznej przepływający przez powierzchnię objętą przewodnikiem.

Zmiana strumienia pola magnetycznego może wynikać z ruchu przewodnika lub źródła pola magnetycznego. Jeżeli jest to ruch obrotowy, to wygenerowana w ten sposób SEM nazywana jest siłą elektromotoryczną rotacji. SEM wytworzona przez nieruchome przewodniki w wyniku zmian indukcji magnetycznej (wywołaną zazwyczaj zmianą natężenia prądu) nazywa się siłą elektromotoryczną transformacji.
ndukcja elektromagnetyczna jest obecnie podstawową metodą wytwarzania prądu elektrycznego oraz podstawą działania wielu urządzeń elektrycznych np. prądnic, alternatorów, generatorów w elektrowniach, transformatorów, pieców indukcyjnych, silników indukcyjnych i mierników indukcyjnych, cewek, głowic elektromagnetycznych.

Do określania kierunku indukowanego prądu, wskutek indukcji elektromagnetycznej używana jest reguła Lenza, zwana regułą przekory, która brzmi: Siła elektromotoryczna indukcji ma taki zwrot, że przeciwdziała przyczynie, która doprowadziła do jej powstania.

9.Prądnice

Prądnica, generator elektryczny – maszyna elektryczna zamieniająca energię mechaniczną na energię elektryczną. Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w prądnicach dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Odbywa się to na skutek względnego ruchu przewodnika i zewnętrznego pola magnetycznego.

Prądnica o wzbudzeniu własnym w układzie bocznikowym


Podział prądnic
Ze względu na rodzaj wytwarzanego napięcia prądnice dzieli się na:
prądu przemiennego
prądu stałego

Ze względu na budowę i zasadę działania prądnice (generatory) dzieli się na:
generatory synchroniczne
generatory asynchroniczne

Budowa i zasada działania
Głównymi częściami prądnicy są stojan (nieruchoma część związana z obudową) oraz wirnik (rotor, część wirująca wewnątrz stojana). Uzwojenie cewki umieszczonej w wirniku prądnicy przecina linie sił pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające i dzięki temu indukuje się w nim zmienna siła elektromotoryczna.

10.Siła elektrodynamiczna (magnetyczna)

Siła elektrodynamiczna (magnetyczna) -sila, z jaką działa pole magnetyczne na przewód elektryczny, w którym płynie prąd.

Na umieszczony w polu magnetycznym prostoliniowy przewodnik o długości l, przez który płynie prąd o natężeniu I, działa siła F, której wartość określa wzór:

Kąt α jest to kąt między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola. Kierunek siły jest prostopadły do linii pola magnetycznego i przewodu. Zwrot siły określa regula prawej dloni.

Zapisany wektorowo:

gdzie:

• B - indukcja magnetyczna charakteryzuje pole magnetyczne. Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla T.

Zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na przewodnik skutkuje też wytwarzaniem prądu w trakcie jego przemieszczania w polu magnetycznym. Napięcie elektryczne wytwarzane w ten sposób jest nazywane sila elektromotoryczna indukcji.

11.Własności pola magnetycznego

Własności pola magnetyczneg

Pole magnetyczne jest polem wielokrotnym. wielkościami fizycznymi

używanymi do opisu pola magnetycznego są: indukcja magnetycznaB oraz natęzenie pola magnetycznego H. Między tymi wielkościami zachodzi związek

gdzie μ –przenikalnosc magnetyczna osrodka ośrodka.

Obrazowo pole magnetyczne przedstawia się jako linie pola magnetycznego. Kierunek pola określa ustawienie igły magnetycznej lub obwodu, w którym płynie prad elektryczny.

Pole magnetyczne kołowe jest to pole, którego linie układają się we współśrodkowe okręgi. Pole takie jest wytwarzane przez nieskończenie długi prostoliniowy przewodnik. Indukcja magnetyczna takiego pola maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości od przewodnika.

Pole magnetyczne definiuje się przez siłę, jaka działa na poruszający się ładunek w tym polu. W układzie SI siła ta wyraża się wzorem:

gdzie:

– siła działająca na ładunek,

– symbol iloczynu wektorowego

q – ładunek elektryczny

– prędkośc ładunku,

– wektor indukcji magnetycznej.

Wzór na siłę zapisany skalarnie:

gdzie α to kąt pomiędzy wektorem prędkości a indukcji magnetycznej