Zjawisko elektromagnetyzmu to jedna z najważniejszych dziedzin, jakie znamy. Elektromagnetyzm odgrywa kluczową rolę dla praktycznych zastosowań w przemyśle i dla naszej wiedzy o fizycznej strukturze wszechświata.
Być może nigdy nie zdałbyś sobie z tego sprawy, ale bez elektromagnetyzmu nie bylibyśmy w stanie transportować ani wytwarzać energii elektrycznej. Nie byłoby takiej możliwości.
Nie moglibyśmy pobierać ogromnych ilości energii elektrycznej, której potrzebujemy w całym kraju i w każdym z naszych domów. Pomyśl o tym, włączając światło, prasując ubrania lub oglądając telewizję.
Tymczasem elektromagnetyzm to ciekawe połączenie elektryczności i magnetyzmu, które tworzy wiązania wszechświata.
Dlatego nie możemy tak naprawdę powiedzieć, że ktoś „wynalazł” elektromagnetyzm: zjawisko odkryto, a potem obliczono, że ta siła spaja różne części atomu.
Odpowiada za wiązania w związkach chemicznych, jest też siłą wytwarzającą światło.
Zatem elektromagnetyzm jest wszędzie. Tutaj przyjrzymy się szczególnemu zjawisku znanemu jako indukcja elektromagnetyczna, czyli wytwarzanie siły elektromotorycznej poprzez obecność zmian w polu magnetycznym.
Nie martw się, jeśli powyższy opis wydaje się niezrozumiały, ponieważ dokonamy podsumowania całej wiedzy naukowej, którą musisz znać, aby zrozumieć ten naprawdę niesamowity proces.
Co to jest elektromagnetyzm?
Zacznijmy od magnetyzmu.
Wiesz czym jest magnetyzm?
Niektóre materiały są magnetyczne, co oznacza, że:
wykazują własności magnetyczne nawet poza zewnętrznym polem magnetycznym.
W tych materiałach magnetycznych wszystkie niesparowane elektrony są ustawione w jednej linii, co oznacza, że wywierają siłę w określonym kierunku, należą do nich miedzy innymi:
- magnesy trwałe (stałe, permanentne),
- materiały ferromagnetyczne.
W materiałach niemagnetycznych tak się nie dzieje, wszystkie elektrony są sparowane z protonami lub rozłożone zupełnie losowo.
Materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo czy nikiel, nabierają właściwości magnetycznych przypadkowo lub wskutek kontaktu z polem magnetycznym.
Chociaż tego typu materiałów warto użyć w doświadczeniach z polem elektromagnetycznym, nie sprawdzają się one jako wiele potężniejsze elektromagnesy, które można włączać i wyłączać.
Definicja elektromagnetyzmu
Elektromagnes natomiast to magnes zasilany prądem elektrycznym.
Energia elektryczna sama w sobie ma siłę magnetyczną. I chociaż występuje nawet w zwykłym drucie miedzianym oraz we wszystkich drobnych pomiarach ładunku elektrycznego każdego atomu i wiązania chemicznego, naukowcy znaleźli sposoby na znaczne wzmocnienie tej siły.
Ogólnie rzecz biorąc, elektromagnesy wykorzystują cewki z drutu, przy czym każda cewka jest nawinięta wokół kawałka metalu, zwykle żelaza.
Sama cewka, o jednej warstwie uzbrojenia, nazywa się solenoidem.
Kiedy przez ten przewód przepływa energia elektryczna, wytworzone pole magnetyczne skupia się na rdzeniu magnetycznym, kawałku metalu w środku elektromagnesu. Takie elektromagnesy są niezwykle mocne i gdy tylko wyłączysz prąd, elektromagnes przestaje się namagnesowywać.
Więc tak, naprawdę elektromagnes jest po prostu naprawdę silnym magnesem. Jednakże to szczególne połączenie elektryczności i magnetyzmu jest niezwykle przydatne.
Jedno z jego najważniejszych zastosowań znajduje się w indukcji elektromagnetycznej, czyli wytwarzaniu siły elektromotorycznej (EMF lub napięcia indukowanego) poprzez ruch pola magnetycznego.
Magnesy wytwarzają zatem energię elektryczną.
Czy rozumiesz, dlaczego są tak przydatne?
Sprawdź nasz przewodnik po magnetyzmie i elektromagnetyzmie!
Krótka historia indukcji elektromagnetycznej
Aby najlepiej wyjaśnić proces i znaczenie indukcji elektromagnetycznej, prześledźmy pokrótce jej historię. Wróćmy do pierwszych eksperymentów, które wyszły na światło dzienne jeszcze w latach trzydziestych XIX wieku.
- W tym momencie mieliśmy już elektromagnes w kształcie podkowy, dzięki wynalazkowi Williama Sturgeona,
- wiedzieliśmy też, że prąd elektryczny ma własną siłę magnetyczną, dzięki odkryciom Ampere’a i Oersteda.
Jednak to człowiek o nazwisku Michael Faraday odkrył zasady indukcji elektromagnetycznej, przeprowadzając mały eksperyment opublikowany w 1831 roku.
Znajdź nauczyciela w okolicy, wpisując „korepetycje fizyka Rzeszów” w wyszukiwarkę Superprof.
Michael Faraday
Michael Faraday stał się właściwie jednym z najbardziej wpływowych naukowców w historii, dzięki swojej pracy nad magnetyzmem, pokazującej na przykład, jak siła ta może wpływać na promienie światła. Jednakże jego najbardziej wpływowym eksperymentem było odkrycie indukcji elektromagnetycznej.
- Faraday wziął żelazny pierścień i dwoma różnymi kawałkami drutu owinął jego cewki po przeciwnych stronach.
- Kiedy przepuszczał elektryczność przez jeden z odcinków drutu, spodziewał się zobaczyć jakiś ładunek elektryczny lub efekt na drugim kawałku drutu.
- Dlatego podłączył ten drugi kawałek drutu do galwanometru, urządzenia mierzącego ładunki elektryczne.
- Kiedy włączał i wyłączał akumulator na pierwszym przewodzie, galwanometr pokazywał ładunek elektryczny.
- Faraday przypuszczał, że działo się tak w wyniku przejścia strumienia magnetycznego przez środek pierścienia.
- Trzeba pamiętać, że galwanometr wykrywał energię elektryczną tylko w przypadku zmiany pola magnetycznego.
- Zatem tylko w momentach włączania i wyłączania akumulatora widział jakikolwiek wynik na galwanometrze. W innych okolicznościach galwanometr nie reagował.
- Dlatego też w innym z jego eksperymentów wsuwał i wyjmował magnes sztabkowy z drucianego zwoju.
- Tutaj ten sam ładunek elektryczny zaobserwowano na galwanometrze wraz z ruchem.
Prawo Faradaya i równania Maxwella
Chociaż Faraday wykonał pracę praktyczną, jego wyniki nie spotkały się z wielkim entuzjazmem, ponieważ nie przedstawił swoich ustaleń w kategoriach matematycznych.
Dopiero James Clerk Maxwell opisał matematycznie to, co pokazał Faraday, trzydzieści lat później. Równania Maxwella stały się nazwą prawa, które opisuje co zachodzi w indukcji elektromagnetycznej.
Jak działa indukcja elektromagnetyczna?
Czym dokładnie jest odkrycie Faradaya? Mówiąc najprościej, znaczenie tego odkrycia polegało na tym, że zmiany w polach magnetycznych mogą indukować prądy elektryczne.
Jak wiemy, elektryczność ma pole magnetyczne. O to właśnie chodzi w elektromagnesach. Faraday odkrył, że jeśli inny magnes wejdzie w interakcję z polem magnetycznym, potencjał lub napięcie prądu elektrycznego ulegnie zmianie.
Gdybyś wsunął taki magnes do cewki lub z powrotem, poczułbyś spory opór. Przy tym oporze wytwarzany jest przepływ prądu. Przyspieszenie ruchu magnesu spowoduje wzrost indukcji prądu; wzmocnienie pola magnetycznego da taki sam rezultat.
W ten sposób można wykorzystać magnesy do zamiany energii kinetycznej w energię elektryczną, ruch magnesu powoduje przepływ prądu. Dokładnie tak działają generatory: wytwarzają energię elektryczną poprzez ruch magnesu w polu magnetycznym.
Być może teraz już rozumiesz, dlaczego odkrycie indukcji elektromagnetycznej jest tak niezwykle ważne.
Jak wykorzystujemy indukcję elektromagnetyczną?
Aby lepiej wyjaśnić to zjawisko, przyjrzyjmy się jednej z głównych technologii, która je wykorzystuje.
Indukcja elektromagnetyczna jest wszędzie:
- Od elektrowni, w których spala się paliwo, aby zasilić pole magnetyczne,
- po samochody i maleńkie silniczki w najróżniejszym sprzęcie .
- Generator prądu to narzędzie, które jest naprawdę niezwykle powszechne.
Generatory elektryczne
Generatory elektryczne (agregatory prądotwórcze) działają poprzez wytwarzanie pola magnetycznego, w którym poruszają się inne namagnesowane cewki.
Na przykład samochody korzystają z generatora prądu przemiennego (alternatora), aby ładować akumulator. Przy prądzie przemiennym, indukowany prąd porusza się w przemiennych kierunkach, stąd nazwa.
- Wyobraź sobie pole magnetyczne w zamkniętej przestrzeni.
- W środku tej przestrzeni znajduje się obracająca się cewka z drutu, przez którą przepływa energia elektryczna.
- Jak możesz sobie wyobrazić, pomiędzy cewką drutu (z własnym polem magnetycznym) a ogólnym polem magnetycznym w generatorze będzie występować interakcja i opór.
Gdy jedna strona obracającej się cewki porusza się w górę, indukowany jest prąd, którego chwilowe natężenie przyjmuje wartość dodatnią. Gdy porusza się z powrotem w dół, powstaje prąd, którego chwilowe natężenie przyjmuje wartość ujemną. W rezultacie powstaje energia elektryczna, która stale się zmienia.
W generatorze prądu stałego istnieje mechanizm, który powoduje, że ruchy w polu magnetycznym są odwrócone – nie ma więc mowy o przemienności.
Dlaczego częściej używamy prądu przemiennego?
Prąd przemienny jest znacznie bardziej powszechny w ogromnych urządzeniach elektrycznych. Dzieje się tak, ponieważ jest znacznie łatwiejszy w transporcie niż prąd stały: możesz zwiększyć napięcie, zachowując małe natężenie.
Biorąc pod uwagę tak wysokie napięcie, potrzebne są transformatory, aby energia elektryczna była użyteczny. Wszystkiego o transformatorach dowiedziesz się w naszym artykule tutaj.
Znajdź korepetycje z fizyki na Superprof.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
