We współczesnym świecie często korzystamy z magnesów. Od drzwi lodówki, przez głośniki odtwarzające muzykę i przesył energii elektrycznej, po silnik w samochodzie. Wszystkie te urządzenia wykorzystują siłę magnetyczną.
Nasza cywilizacja byłaby bezużyteczna bez magnesów, biorąc pod uwagę ich dzisiejszą wszechobecność.
- Nie byłoby możliwości przesyłania prądu elektrycznego po całym kraju.
- Wszystkie nasze silniki elektryczne byłyby bezużyteczne.
- I nie bylibyśmy w stanie rozmawiać na odległość, co często jest podstawą naszej komunikacji.
W związku z tym warto zastanowić się nad zjawiskiem, które pozwala nam na tak wiele. Powinniśmy spróbować zrozumieć naturę magnetyzmu: jak działa, jaka interakcja zachodzi pomiędzy elektrycznością i magnetyzmem i jak razem sprawiają, że nasz świat się kręci.
To jest nasza misja specjalna w tej serii artykułów: pozwolić każdemu zrozumieć, dlaczego elektrony mają moment magnetyczny lub dlaczego prąd elektryczny może wytwarzać pole magnetyczne.
Dlaczego strumień magnetyczny może indukować ładunek elektryczny lub dlaczego to wszystko jest tak ważne dla naszego świata.
Przyjrzyjmy się podstawowym informacjom na temat pola magnetycznego i najważniejszym technologiom magnetycznym.
Co to jest magnetyzm?
Zacznijmy od magnetyzmu.
Magnetyzm jest siłą obecną we wszystkich obiektach, powstaje w wyniku ruchu elektronów, a to skutkuje przyciąganiem i odpychaniem różnych obiektów.
Jest to siła „bezkontaktowa”, która w większym lub mniejszym stopniu oddziałuje na każdy obiekt na świecie i jest wynikiem ruchu cząstek subatomowych, elektronów i ich ładunku elektrycznego.
Elektrony, momenty magnetyczne i trzy rodzaje magnetyzmu
Każdy atom składa się z cząstek, w tym neutronów, elektronów i protonów. Za magnetyzm odpowiadają elektrony i protony.
Mają tendencję do krążenia wokół neutronów i każdy z nich ma swój własny ładunek – dodatni lub ujemny.
Zazwyczaj elektrony „parują się” z protonami o przeciwnym ładunku, co oznacza, że elektron o ładunku ujemnym sparowałby się z protonem o ładunku dodatnim, w związku z czym materiał byłby stosunkowo stabilny, ponieważ każdy z ładunków niweluje drugi.
Rodzaje magnetyzmu
- Sytuacja, w której substancja ma sparowane elektrony, to diamagnetyzm.
- Istnieje jednak wiele rodzajów materiałów, w tym tlen, które mają niesparowane elektrony. Kiedy tak się dzieje, substancja staje się znacznie bardziej magnetyczna, ponieważ wszystkie elektrony mogą się ustawić.
- Jednakże nie dotyczy to większości materiałów, ponieważ momenty magnetyczne każdego z tych pojedynczych elektronów nie są równe, chyba że znajdują się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
- Substancje, które wykazują magnetyzm tylko wtedy, gdy znajdują się w zewnętrznym polu magnetycznym, nazywamy paramagnetykami, a zjawisko, w którym biorą udział to paramagnetyzm.
- Znamy również substancje ferromagnetyczne. Są to materiały magnetyczne posiadające niesparowane elektrony o tym samym momencie magnetycznym.
- Oznacza to, że spontanicznie mogą nabrać właściwości magnetycznych i pozostaną takimi nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego.
Czym zatem jest pole magnetyczne?
Każdy magnes lub obiekt magnetyczny ma pole magnetyczne – otoczenie magnesu, w którym występuje jego siła magnetyczna. Jest to przestrzeń, na którą oddziałuje ładunek magnetyczny magnesu.
Magnesy trwałe i elektromagnesy charakteryzują się trwałymi polami magnetycznymi, które zwykle można zaobserwować dzięki opiłkom żelaza układającym się w kształt linii pola magnetycznego. Będą one podążać za przepływem od bieguna północnego magnesu do jego bieguna południowego.
Pola magnetyczne zmieniają się w zależności od siły magnesu.
Dowiedz się więcej o polach magnetycznych!
Co to jest elektromagnes?
Oprócz momentów magnetycznych elektronów inną rzeczą wytwarzającą pole magnetyczne są ładunki elektryczne.
Odkrycie to, dokonane jeszcze w latach trzydziestych XIX wieku, było jednym z najważniejszych w historii, ponieważ wykazało związek między magnetyzmem i elektrycznością.
Wiemy już, że elektrony w substancji mają ładunek magnetyczny, ze względu na ich ruch w materiale magnetycznym.
Prąd elektryczny to właśnie ruch elektronów. Gdy prąd przemieszczają się w dół drutu, drut zostaje namagnesowany, ponieważ ruch elektronów wytwarza pole magnetyczne.
Odkrył to André-Marie Ampère, pokazując, że równoległe druty będą się przyciągać lub odpychać, w zależności od tego, w którą stronę popłynie prąd. Nawiasem mówiąc, od jego nazwiska powstała nazwa jednostki natężenia prądu, czyli Amper.
Jak zrobić elektromagnes
Technologia nie zmieniła się zbytnio od wynalezienia najwcześniejszych elektromagnesów. Stały się mocniejsze, to prawda, ale ogólna konstrukcja urządzenia pozostała taka sama.
- Elektromagnesy składają się z drucianej cewki owiniętej wokół metalowego rdzenia (zwykle materiału ferromagnetycznego, takiego jak żelazo).
- Przez drucianą (często miedzianą) cewkę przepuszczany jest prąd elektryczny, którego pole magnetyczne skupia się w otworze cewki, czyli w żelaznym rdzeniu.
- Cała ta struktura jest znana jako solenoid (elektrozawór) i jest nadal używana we wszystkich miejscach, w których działa elektromagnetyzm.
Gdy tylko prąd elektryczny zostanie wyłączony, elektromagnes przestaje być magnetyczny.
Poszukaj nauczyciela w okolicy, wpisując np. „korepetycje fizyka Katowice” w wyszukiwarkę Superprof.
Uwaga na temat związku między magnetyzmem i elektrycznością
Chociaż wiemy, że prąd wytwarza pole magnetyczne i że pola magnetyczne zależą od elektronów, rozróżnienie pomiędzy magnetyzmem i elektrycznością jest nie do końca celne.
Nie są to dwa zupełnie inne zjawiska. Wręcz przeciwnie, opierają się o te same zasady fizyczne, jak dwie strony tej samej monety. Elektromagnetyzm jest w rzeczywistości jedną z podstawowych sił we wszechświecie.
Dowiedz się więcej o elektromagnetyzmie w naszym dedykowanym artykule.
Co to jest indukcja elektromagnetyczna?
Jednego z najbardziej pożytecznych odkryć w historii elektromagnetyzmu dokonał Michael Faraday, brytyjski naukowiec żyjący w XIX wieku.
Odkrycie zasłynęło pod nazwą indukcji elektromagnetycznej i do dziś pozostaje jedną z podstawowych części naszej wiedzy o elektromagnetyzmie.
Eksperymenty Faradaya skupiały się na tym, że ładunkami elektrycznymi można manipulować za pomocą pól magnetycznych. Naukowiec przypuszczał, że zmian pola magnetycznego można użyć do produkcji prądu elektrycznego.
Brzmi to skomplikowanie, ale rzeczywiste eksperymenty praktyczne Faradaya były dość proste.
- Wziął żelazny pierścień i nawinął dwa różne druty po przeciwnych stronach pierścienia, tworząc dwa solenoidy na tym samym kawałku żelaza.
- Podłączając jeden kawałek drutu do akumulatora, drugi przymocował do galwanometru, maszyny mierzącej ładunki elektryczne.
- Podłączanie i odłączanie pierwszego przewodu od akumulatora powodowało zmianę ładunku wykrywaną przez galwanometr.
Faraday wywnioskował, że zmiana pola magnetycznego w żelaznym pierścieniu może indukować prąd elektryczny w oddzielnym przewodzie.
- Aby udowodnić swoje poglądy na temat szczególnego związku między elektrycznością i magnetyzmem, przeprowadził kolejny eksperyment.
- Wziął elektromagnes bez rdzenia (a więc po prostu cewkę z drutu),
- wkładał i wyjmował z cewki magnes sztabkowy.
Stwierdził, że szybszy ruch magnesu w przewodzie wytwarza się więcej prądu.
Dlaczego było to takie ważne? Ponieważ Faraday utorował drogę wiedzy, że prąd elektryczny nie płynie tylko przez drut, jednocześnie tworząc podstawy teoretyczne, które doprowadziły do wytwarzania energii elektrycznej poprzez manipulowanie jej polem magnetycznym.
Dowiedz się więcej o indukcji elektromagnetycznej!
Co to jest transformator?
Transformatory to kluczowy element technologii wykorzystujący naukę o indukcji elektromagnetycznej.
Są to prawdopodobnie najpopularniejsze urządzenia elektryczne na świecie, ponieważ prawie cała energia elektryczna, którą wytwarzamy i wykorzystujemy, przechodzi na swojej drodze przez co najmniej jeden transformator.
Czym są transformatory?
Transformator jest urządzeniem statycznym, które zamienia prąd o wysokim napięciu na prąd o znacznie niższym napięciu. Dzieje się tak dzięki obecności dwóch sąsiednich cewek i indukcji elektromagnetycznej Faradaya.
W całym kraju energia elektryczna przesyłana jest masywnymi sieciami elektrycznymi. W celu obniżenia kosztów przesyłana energia elektryczna charakteryzuje się bardzo wysokim napięciem. To, zamiast dużego natężenia prądu, zmniejsza straty energii i oznacza, że same przewody nie muszą być duże.
Jednak w domu nie możemy korzystać z energii elektrycznej o wysokim napięciu. Zatem zanim energia elektryczna zostanie lokalnie rozprowadzona do naszych mieszkań, należy ją przekształcić w energię elektryczną o niższym napięciu. Właśnie do tego służą transformatory.
Znajdź fizyka korepetycje na Superprof.
Zmniejszanie napięcia prądu
Prawo Faradaya pokazuje, jak stosować indukcję elektromagnetyczną do zmniejszania i zwiększania napięcia prądu elektrycznego.
Przypomnij sobie jego eksperyment: użył dwóch różnych cewek, w których zmiany pola magnetycznego między nimi indukowały prąd elektryczny w drugiej.
Zmieniając liczbę cewek w przewodzie, możesz zmienić napięcie indukowanego prądu. Załóżmy, że masz dziesięć cewek na pierwszym przewodzie, możesz po prostu zmniejszyć o połowę liczbę cewek na drugim i uzyskasz połowę napięcia.
Dokładnie tak działają transformatory.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
