Magnetyzm: podsumowanie i wzory

Magnetyzm to dział fizyki zajmujący się oddziaływaniami magnetycznymi materiałów magnetycznych i magnesów oraz przewodników z prądem.

W tym artykule znajdziesz podsumowanie najważniejszych informacji o magnetyzmie oraz najważniejsze wzory i zasady z tego działu.

magnetyzm

Najważniejsze zagadnienia magnetyzmu:

1. Magnesy

Magnes to ciało, które „samo” przyciąga żelazo oraz przyciąga lub odpycha inne magnesy. Magnes wytwarza pole magnetyczne.

Każdy magnes posiada dwa bieguny: 

  • północny N (zwykle oznaczany kolorem czerwonym) oraz 
  • południowy S (zwykle oznaczany kolorem niebieskim).

Dwa bieguny magnetyczne jednoimienne (N i N lub S i S) odpychają się wzajemnie, a dwa bieguny różnoimienne (N i S) przyciągają się wzajemnie. Czytaj dalej →

2. Pole magnetyczne

Właściwości przestrzeni, w której na umieszczoną igłę magnetyczną (magnes) działają siły magnetyczne nazywamy polem magnetycznym. 

Igła magnetyczna to mały magnes – znany nam z choćby z kompasu. Jeżeli zbliżymy ją do innego magnesu obróci się wskazując biegun północny tego magnesu. Czytaj dalej →

3. Pole magnetyczne Ziemi

Wokół Ziemi istnieje pole magnetyczne. Ziemia zachowuje się jak ogromny magnes sztabkowy. Igła kompasu pokazuje geograficzną północ (i biegun magnetyczny południowy). Czytaj dalej → aby dowiedzieć się dlaczego.

Na biegunie geograficznym północnym istnieje biegun magnetyczny południowy, a na biegunie geograficznym południowym biegun magnetyczny północny.

4. Ferromagnetyki

Ferromagnetyki to materiały o najsilniejszych właściwościach magnetycznych. Przykładem ferromagnetyka jest żelazo (ferrum po łacinie oznacza właśnie żelazo).

Magnes trwały to namagnesowany ferromagnetyk. Ferromagnetyki posiadają domeny magnetyczne, które działają one jak małe magnesy. Domeny magnetyczne są ułożone chaotycznie ale podczas namagnesowania są uporządkowywane i ferromagnetyk staje się magnesem. Czytaj dalej →

5. Właściwości magnetyczne przewodników z prądem

Linie pola magnetycznego

Pole magnetyczne na rysunku przedstawiamy przy pomocy linii pola magnetycznego. Igła magnetyczna ustawia się zawsze stycznie do linii pola magnetycznego, a biegun północny igły magnetycznej określa zwrot linii. Linie na zewnątrz magnesu mają zwrot od bieguna magnetycznego północnego do bieguna magnetycznego południowego. 

Pole magnetyczne prostoliniowego przewodnika z prądem

Linie pola magnetycznego  wokół prostoliniowego przewodnika z prądem mają kształt okręgów leżących w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika, a środki tych okręgów pokrywają się z przewodnikiem.

Zwrot tych linii określa reguła prawej dłoni:  Jeżeli prawą dłoń obejmiemy przewodnik prostoliniowy w ten sposób, że odchylony kciuk będzie wskazywał kierunek prądu w przewodniku, to ugięte pozostałe  palce wskażą zwrot linii pola magnetycznego

Reguła prawej dłoni

Pole magnetyczne przewodnika kołowego

Jeżeli prąd w przewodniku kołowym płynie zgodnie z ruchem wskazówek zegara to po naszej stronie znajduje się biegun południowy, a po przeciwnej północny.

pole magnetyczne przewodnika kolowego

Pole magnetyczne zwojnicy

Aby określić bieguny magnetyczne zwojnicy możemy skorzystać z powyższej reguły lub przy pomocy prawej dłoni:   Prawą dłonią obejmujemy zwojnicę tak, aby palce wskazywały kierunek prądu w poszczególnych zwojach, a  odchylony kciuk wskaże wtedy biegun północny zwojnicy.

Reguła prawej dłoni dla zwojnicy

6. Zjawisko indukcji magnetycznej

Zjawisko indukcji magnetycznej polega na wytworzeniu prądu indukcyjnego  w obwodzie, w którym zmienia się pole magnetyczne. Czytaj dalej →

7. Elektromagnes

Elektromagnesy wytwarzają silne pole magnetyczne po zasileniu prądem elektrycznym. Elektromagnes zbudowany jest ze zwojnicy i rdzenia ferromagnetycznego. Rdzeń wzmacnia pole magnetyczne zwojnicy nawet kilkaset razy. 

Najprostszy elektromagnes można wykonać nawijając na gwóżdź przewód elektryczny i podłączając go do baterii. Po podłączeniu będzie on przyciągał niektóre małe przedmioty np. stalowe szpilki.

Przykłady zastosowania elektromagnesu to: silniki, prądnice i dzwonek do drzwi. Czytaj dalej →

8. Silnik prądu stałego

Silnik elektryczny to urządzenie zamieniające energię elektryczną na mechaniczną. asada działania silnika prądu stałego opiera się na wykorzystaniu pola magnetycznego do obrotu elementu silnika zwanego wirnikiem.

Zasada działania silnika prądu stałego: Dwa magnesy różnoimienne stojanu wytwarzają pole magnetyczne, w którym umieszczony jest wirnik, przez który przepływa prąd elektryczny. Pole magnetyczne działa na podłączony do prądu wirnik parą sił, która powoduje obrót wirnika. Komutator zmieniając kierunek prądu w ramce powoduje ciągły obrót wirnika. Czytaj dalej →

9. Dodatkowe informacje

Reguła lewej dłoni

Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła elektrodynamiczna. Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej określa reguła lewej dłoni:

Lewą dłoń należy umieścić tak, aby linie sił pola wchodziły prostopadle od wnętrza dłoni, wyprostowane palce wskazywały kierunek prądu, a odchylony kciuk wskaże wtedy kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej.

Pole magnetyczne działa na przewodnik największą siłą wtedy, gdy jest on ustawiony prostopadle do linii pola magnetycznego. Gdy przewodnik jest ustawiony równolegle do linii pola, wtedy siła elektrodynamiczna jest równa zero.

Kierunek siły elektrodynamicznej jest zawsze prostopadły do linii pola magnetycznego i do kierunku przepływu prądu.

Reguła Lenza („ reguła przekory” ):

Kierunek prądu indukcyjnego jest taki, że pole magnetyczne przez niego wytworzone przeszkadza przyczynie, która go wywołuje.

Reguła Lenza wynika z  zasady zachowania energii. Zgodnie z tą regułą, gdy zbliżamy magnes do zwojnicy biegunem północnym, to po stronie magnesu zwojnica wytworzy  również biegun północny, aby odpychać zbliżający się magnes. Pokonując siłę odpychania magnesu i zwojnicy wykonamy pracę, która zamieni się na energię elektryczną. Zasada zachowania energii zostanie spełniona.

Prąd przemienny to taki prąd, którego natężenie prądu i kierunek przepływu prądu ulegają zmianie.

Transformator

Transformator działa w oparciu o zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Związek między liczbą zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego, a napięciami i natężeniami prądów w uzwojeniach:

\large \frac{n_w}{n_p} = \frac{U_w}{U_p}
\large \frac{n_w}{n_p} = \frac{I_p}{I_w}

n w, n p – liczba zwojów uzwojenia wtórnego i pierwotnego
U w , U p  – napięcia na uzwojeniu wtórnym i pierwotnym
I  w , I p – natężenia prądów w uzwojeniu wtórnym i pierwotnym.

Moc uzwojenia wtórnego nie może być większa od mocy uzwojenia pierwotnego, ponieważ transformator jedynie przetwarza energię elektryczną.