Pole magnetyczne Ziemi, będące szczególną formą istnienia materii, przyczyniło się do powstania i zachowania życia. Fragmenty tego pola, kawałki rudy przyciągane przez żelazo, doprowadziły do energia elektryczna w służbie ludzkości. Bez elektryczności przetrwanie byłoby nie do pomyślenia.
Zawartość
Co to są linie indukcji magnetycznej
Pole magnetyczne jest zdefiniowane przez natężenie w każdym punkcie jego przestrzeni. Krzywe łączące punkty pola o jednakowych napięciach modulo nazywamy liniami indukcji magnetycznej. Natężenie pola magnetycznego w danym punkcie jest charakterystyką siły, a do jego oszacowania wykorzystuje się wektor pola magnetycznego B. Jego kierunek w danym punkcie na linii indukcji magnetycznej jest do niej styczny.
Jeśli na dany punkt w przestrzeni oddziałuje kilka pól magnetycznych, natężenie określa się, sumując wektory indukcji magnetycznej każdego działającego pola magnetycznego. W tym przypadku natężenie w danym punkcie sumuje się modulo, a wektor indukcji magnetycznej definiuje się jako sumę wektorów wszystkich pól magnetycznych.
Chociaż linie indukcji magnetycznej są niewidoczne, mają pewne właściwości:
- Zakłada się, że linie sił pola magnetycznego wychodzą z bieguna (N) i wracają z (S).
- Kierunek wektora indukcji magnetycznej jest styczny do linii.
- Pomimo złożonego kształtu, krzywe nie przecinają się i z konieczności są zwarte.
- Pole magnetyczne wewnątrz magnesu jest jednorodne, a gęstość linii jest maksymalna.
- Przez punkt w polu przechodzi tylko jedna linia indukcji magnetycznej.
Kierunek linii indukcji magnetycznej wewnątrz magnesu stałego
Naturalne właściwości niektórych kamieni polegające na przyciąganiu żelaza były od dawna obserwowane w wielu miejscach na Ziemi. Z czasem, w starożytnych Chinach, strzałki wyrzeźbione w określony sposób z kawałków rudy żelaza (magnetyczny kamień żelazny) zamieniły się w kompasy, wskazujące kierunek do północnego i południowego bieguna Ziemi i umożliwiające orientację w terenie.
Badania nad tym naturalnym zjawiskiem wykazały, że stopy żelaza mają silniejsze właściwości magnetyczne przez dłuższy czas. Słabsze magnesy naturalne to rudy zawierające nikiel lub kobalt. Podczas badań nad elektrycznością naukowcy nauczyli się wytwarzać sztucznie namagnesowane przedmioty ze stopów zawierających żelazo, nikiel lub kobalt. W tym celu umieszczano je w polu magnetycznym wytwarzanym przez stały prąd elektryczny, a następnie, w razie potrzeby, rozmagnesowywano je prądem zmiennym.
Produkty namagnesowane w naturze lub wytworzone sztucznie mają dwa różne bieguny - miejsca, w których magnetyzm jest najbardziej skoncentrowany. Magnesy oddziałują na siebie za pomocą pola magnetycznego, dzięki czemu bieguny o tej samej nazwie odpychają się, a bieguny o różnych nazwach przyciągają. Tworzy to momenty obrotowe dla ich orientacji w przestrzeni silniejszych pól, np. pola ziemskiego.
Wizualną ilustracją oddziaływania słabo namagnesowanych elementów z silnym magnesem jest klasyczne doświadczenie z opiłkami stalowymi rozsypanymi na tekturze i płaskim magnesem pod spodem. Zwłaszcza jeśli trociny są podłużne, można wyraźnie zobaczyć, jak układają się wzdłuż linii sił pola magnetycznego. Zmieniając położenie magnesu pod tekturą, można zaobserwować zmianę konfiguracji ich obrazu. Wykorzystanie w tym eksperymencie kompasów dodatkowo wzmacnia efekt zrozumienia struktury pola magnetycznego.
Jedną z właściwości linii pola magnetycznego odkrytą przez M. Faraday sugeruje, że są one zamknięte i ciągłe. Linie wychodzące z bieguna północnego magnesu stałego wchodzą do bieguna południowego. Jednak wewnątrz magnesu nie są one otwarte i wchodzą z bieguna południowego do północnego. Liczba linii wewnątrz produktu jest maksymalna, pole magnetyczne jest jednorodne, a indukcja może być słabsza po rozmagnesowaniu.
Wyznaczanie kierunku wektora indukcji magnetycznej za pomocą reguły wiertła
Na początku XIX wieku naukowcy odkryli, że wokół przewodnika, przez który płynie prąd, tworzy się pole magnetyczne. Powstałe w ten sposób linie sił zachowują się tak samo jak naturalny magnes. Ponadto interakcja między polem elektrycznym przewodnika z prądem a polem magnetycznym stała się podstawą dynamiki elektromagnetycznej.
Zrozumienie orientacji w przestrzeni sił w oddziałujących na siebie polach pozwala na obliczenie wektorów osiowych:
- Indukcja magnetyczna;
- Wielkości i kierunki prądu indukcyjnego;
- Prędkość kątowa.
Rozumienie to zostało sformułowane w regule boraksu.
Zestawiając ruch translacyjny prawego borawlika z kierunkiem prądu w przewodniku, otrzymujemy kierunek linii pola magnetycznego wyznaczony przez obrót korby.
Nie będąc prawem fizyki, w elektrotechnice reguła kowadła jest wykorzystywana nie tylko do określania kierunku linii pola magnetycznego w zależności od wektora prądu w przewodniku, ale przeciwnie - do określania kierunku prądu w przewodach solenoidu ze względu na obrót linii indukcji magnetycznej.
Zrozumienie tej zależności pozwoliło Ampere'owi uzasadnić prawo wirujących pól, co doprowadziło do opracowania silników elektrycznych o różnych zasadach działania. Wszystkie aparaty indukcyjne wykorzystujące cewki indukcyjne działają zgodnie z zasadą boraksu.
Reguła prawej ręki
Wyznaczanie kierunku prądu poruszającego się w polu magnetycznym przewodnika (jednej ze stron zamkniętego zwoju przewodnika) ilustruje reguła prawej dłoni.
Mówi ona, że gdy prawa dłoń jest zwrócona w kierunku bieguna N (linie energetyczne wchodzą na dłoń), a kciuk odchylony o 90 stopni wskazuje kierunek przewodnika, to w zamkniętej pętli (cewce) pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny, którego wektor ruchu wskazują cztery palce.
Reguła ta pokazuje, jak pierwotnie wyglądały generatory prądu stałego. Jakaś siła natury (woda, wiatr) obracała zamkniętą pętlę przewodników w polu magnetycznym, wytwarzając energię elektryczną. Następnie silniki, po otrzymaniu prądu elektrycznego w stałym polu magnetycznym, przekształcały go w ruch mechaniczny.
Reguła prawej ręki jest również prawdziwa w przypadku cewek indukcyjnych. Ruch znajdującego się w nich rdzenia magnetycznego powoduje powstawanie prądów indukcyjnych.
Jeśli cztery palce prawej ręki są ustawione zgodnie z kierunkiem prądu w zwojach cewki, to kciuk odchylony o 90 stopni będzie wskazywał biegun północny.
Reguły boraksu i prawoskrętności z powodzeniem pokazują oddziaływanie pola elektrycznego i magnetycznego. Dzięki nim zrozumienie działania różnych urządzeń w elektrotechnice staje się dostępne niemal dla każdego, nie tylko dla naukowców.
Powiązane artykuły:
