Wiesz już, że prąd elektryczny w przewodniku można wzbudzić przez przyłożenie napięcia elektrycznego do końców przewodnika. Napięcie pochodzi z ogniwa lub baterii ogniw. Istnieje jednak sposób wzbudzania prądu bez użycia źródeł chemicznych. Prąd będzie płynął także w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej – zjawisko to jest obecnie najważniejszym mechanizmem wytworzenia napięcia elektrycznego w elektrowniach.

Wiele urządzeń elektrycznych podłącza się do gniazdka za pośrednictwem tzw. zasilaczy. Są one często kłopotliwe – bo ciężkie i z plączącymi się kablami – ale niezbędne, ponieważ służą do zamiany prądu dostarczanego do naszych domów na odpowiedni dla danego urządzenia. Działanie niektórych zasilaczy opiera się na zjawisku, które omówimy na łamach tej lekcji
Już wiesz
  • opisać magnes jako dipol, czyli ciało, które posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S);

  • podać znaczenie pojęcia pola magnetycznego jako przestrzeni, w której działają siły magnetyczne;

  • opisać działanie biegunów magnetycznych: jednoimienne się odpychają, a różnoimienne – przyciągają;

  • wyjaśnić występowanie pola magnetycznego wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd.

Nauczysz się
  • wytwarzać prąd elektryczny za pomocą ruchu magnesu;

  • wyjaśniać powstawanie prądu indukcyjnego;

  • omawiać zjawisko indukcji elektromagnetycznej;

  • prezentować doświadczalnie zjawisko indukcji elektromagnetycznej;

  • wyjaśniać zasadę działania transformatora.

Przygotuj przed lekcją:

Doświadczenie 1. (element fakultatywny) – potrzebne materiały:

  • bateria 1,5 V;

  • 2 spinacze;

  • zwojnica;

  • miernik uniwersalny lub woltomierz;

  • magnes neodymowy.

Doświadczenie 2. (element fakultatywny) – potrzebne materiały:

  • dwie zwojnice o różnej liczbie zwojów;

  • rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery „U”;

  • 4 przewody ze złączami typu „krokodylek”;

  • miernik uniwersalny lub woltomierz;

  • zasilacz – generator prądu.

1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Kiedy w XIX wieku odkryto, że przepływ prądu w przewodniku sprawia, że wokół niego powstaje pole magnetyczne, postawiono pytania: Czy jest możliwe zjawisko odwrotne? Czy magnes może spowodować, że zacznie płynąć prąd elektryczny?
Michael Faraday, odkrywca tego zjawiska (zwanego zjawiskiem indukcji elekromagnetycznej) poświęcił wiele lat na potwierdzenie tezy, że prąd może powstawać w przewodniku, do którego przyłoży się magnes. Swojego odkrycia dokonał 29 sierpnia 1831 roku.

Michael Faraday

Michael Faraday był angielskim uczonym, który przyczynił się do rozwoju elektromagnetyzmu i elektrochemii. Do największych odkryć zalicza się indukcję elektromagnetyczną, diamagnetyzm i elektrolizę. Faraday jest uznawany za jednego z największych odkrywców, mimo że miał słabe podstawy teoretyczne. Wyniki badań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem doprowadziły do stworzenia koncepcji pola elektromagnetycznego. Odkrycia tego uczonego są podstawą działania silników na prąd stały, i generatorów prądu.

Aby potwierdzić wyniki otrzymane przez Faradaya, wykonaj poniższe doświadczenie.

Doświadczenie 1
Problem badawczy

Czy względny ruch zwojnicy i magnesu może być źródłem prądu?

Hipoteza

Względny ruch przewodu i magnesu jest źródłem prądu.

Co będzie potrzebne
  • zwojnica;

  • magnes stały;

  • miernik uniwersalny lub amperomierz o małym zakresie (wykorzystaj znajdujące się w szkole mierniki uniwersalne demonstracyjne);

Instrukcja
  1. Wybierz na mierniku zakres małego natężenia prądu.

  2. Ustaw amperomierz na minimalnym zakresie pomiarowym.

  3. Połącz zwojnicę z miernikiem.

Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
  1. Szybkim ruchem zbliż magnes do zwojnicy i równie energicznym ruchem oddal go.

  2. Zaobserwuj wskazania przyrządu pomiarowego.

  3. Odwróć magnes, aby zbliżyć go przeciwnym biegunem niż za pierwszym razem.

  4. Szybkim ruchem zbliż magnes do zwojnicy i oddal go.

  5. Połóż magnes w pobliżu zwojnicy i nią poruszaj. Obserwuj wskazania przyrządu pomiarowego.

Podsumowanie

Gdy magnes się poruszał, amperomierz wskazywał pewne wartości natężenia prądu, które ulegały zmianie. Oznacza to, że magnes poruszający się względem przewodu sprawił, że zaczął przepływać prąd. Gdy magnes spoczywał, ale przewodnik był w ruchu, to wtedy również płynął prąd.
Wniosek: Wzajemny ruch magnesu i przewodnika wywołuje przepływ prądu. W zmiennym polu magnetycznym wytwarzane jest napięcie elektryczne, które powoduje przepływ pradu elektrycznego.

Wyniki doświadczenia pokazują, że bateria nie jest jedynym źródłem napięcia elektrycznego. By wytworzyć prąd elektryczny, wystarczy względny ruch magnesu i przewodnika. Amperomierz pokazuje, że natężenie płynącego prądu zależy od szybkości względnego ruchu zwojnicy i magnesu. Powstawanie prądu elektrycznego pod wpływem zmiennego pola magnetycznego nazywamy indukcją elektromagnetyczną, a prąd płynący w zwojnicy – prądem indukcyjnym. Oprócz Michaela Faraday’a badania nad tymi zjawiskami prowadził Amerykanin Joseph Henry.

Joseph Henry

Joseph Henry był amerykańskim naukowcem. Podczas budowania elektromagnesów odkrył zjawisko samoindukcji elektromagnetycznej oraz indukcji elektromagnetycznej (niezależnie od Faraday'a, który jako pierwszy opublikował wyniki doświadczeń). Zajmował się praktycznym zastosowaniem elektromagnesów. Skonstruował m.in. dzwonek elektryczny iprzekaźnik elektromagnetyczny (który dla Samuela Morse'a stał się podstawą do zbudowania telegrafu).

indukcja elektromagnetyczna

– zjawisko wytwarzania napięcia elektrycznego przez zmienne pole magnetyczne.

prąd indukcyjny

– prąd płynący w przewodniku na skutek działania zmiennego pola magnetycznego.

Ciekawostka

Dynamo rowerowe to też prądnica.
Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (dynamo). W obudowie znajduje się stały magnes i zwojnica. Element, który styka się z oponą, to obracający się magnes, który jest źródłem zmiennego pola magnetycznego. Wytwarza ono prąd w uzwojeniu, który następnie za pomocą przewodów doprowadzany jest do żarówki.

Budowa prostej prądnicy rowerowej

2. Działanie transformatora

Napięcie elektryczne otrzymywanie w elektrowni sięga 20 000 woltów, a napięcie w instalacji domowej – tylko 230 V. Podczas przesyłu energii elektrycznej napięcie ma dużą wartość, wykorzystuje się więc tzw. linie wysokiego napięcia. Obniżenie napięcia do wartości 230 V następuje dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Urządzenie, które umożliwia obniżanie lub podwyższanie napięcia, nazywamy transformatorem. Aby zapoznać się ze sposobem jego działania, wykonaj poniższe doświadczenie.

wolt (V)

– jednostka napięcia w układzie SI, symbol V.

Doświadczenie 2

Poznanie budowy i sposobu działania transformatora.

Co będzie potrzebne
  • 2 zwojnice o różnej liczbie zwojów;

  • rdzeń (np. ze stali) w kształcie litery „U”;

  • miernik uniwersalny lub woltomierz;

  • zasilacz;

  • przewody.

Instrukcja
  1. Włóż zwojnice na rdzeń.

  2. Do jednej ze zwojnic podłącz zasilacz. Ustaw go tak, by był źródłem prądu zmiennego (poproś o pomoc nauczyciela).

  3. Drugą zwojnicę połącz z miernikiem, ustaw odpowiedni zakres pomiarowy (poproś nauczyciela o pomoc).

Sposób połączenia elementów zestawu doświadczalnego
  1. Włącz zasilacz i obserwuj wskazania miernika.

  2. Zwiększ napięcie prądu z zasilacza i obserwuj wskazania miernika.

  3. Wyłącz zasilacz. Podłącz zasilacz do drugiej zwojnicy, a miernik do pierwszej.

  4. Zwiększaj stopniowo napięcie i obserwuj wskazania miernika.

Podsumowanie

Zmiana napięcia między końcami jednej zwojnicy wywołuje zmianę napięcia między końcami drugiej zwojnicy. Napięcie jest wyższe w zwojnicy o większej liczbie zwojów.
Wniosek: Transformator służy do zmiany napięcia poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów. Może obniżać lub podwyższać napięcie prądu elektrycznego.

Ćwiczenie 1

Transformator to urządzenie, które może służyć do podwyższania lub obniżania napięcia. Zastanówmy się, jak on działa. Zwojnica, do której podłączane jest źródło napięcia, nazywana jest uzwojeniem pierwotnym. Wokół uzwojenia pierwotnego powstaje zmienne pole magnetyczne, które jest wzmacniane za pomocą rdzenia (ferromagnetycznego). To pole magnetyczne wywołuje przepływ prądu w drugiej zwojnicy. Nazywana jest ona uzwojeniem wtórnym.

Dzięki dobraniu liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy zmienić wartość napięcia otrzymywanego na uzwojeniu wtórnym. Jeśli liczy ono mniej zwojów niż uzwojenie pierwotne, to transformator będzie obniżał napięcie. Natomiast gdy w uzwojeniu wtórnym będzie więcej zwojów niż w uzwojeniu pierwotnym, transformator będzie podwyższał napięcie. Związek między napięciem a liczbą zwojów opisuje proporcja:

napięcie wyjściowenapięcie wejściowe=liczba zwojów uzwojenia wtórnegoliczba zwojów uzwojenia pierwotnego
UwUp=zwzp
Przykład 1

Uzwojenie pierwotne liczy 20 zwojów, a wtórne 60 zwojów. Jakie jest napięcie wyjściowe, jeśli napięcie na wejściu jest równe 5 V?
Rozwiązanie – pierwszy sposób
Dane:
zp=20 
zw=60 
Up=5 V 
Szukane:
Uw= ? 
Wzór:
Upzp=Uwzw 
Obliczenia:
5 V20=Uw60  
20Uw=5 V·60/: 20 
Uw=300 V20  
Uw=15 V 
Odpowiedź:
Napięcie na wyjściu jest równe 15 V.

Rozwiązanie – drugi sposób
Uzwojenie wtórne zawiera trzy razy więcej zwojów niz pierwotne. Transformator zwiększy napięcie trzykrotnie, czyli:
Uw=3·5 V=15 V

Ćwiczenie 2

Przeanalizuj, czy zwiększanie napięcia w uzwojeniu wtórnym kłóci się z zasadą zachowania energii. Energia jest przekazywana z jednego uzwojenia do drugiego. Szybkość tego przekazu jest mocą transformatora. Moc w uzwojeniu wtórnym pochodzi z uzwojenia wtórnego, a zgodnie z zasadą zachowania energii (zakładamy brak strat) obie moce są sobie równe. Moc prądu jest iloczynem napięcia i natężenia, czyli:

Pwejściowa=Pwyjściowa
U·Ipierwotne=U·Iwtórne

Z tego wynika, że zwiększenie napięcia przekłada się na obniżenie natężenia. Możliwość zmiany napięcia jest zaletą prądu zmiennego. Jeśli w przewodzie płynie prąd o dużym natężeniu, to do otoczenia emitowane jest ciepło. Podczas przesyłu energii chcemy te straty ograniczyć do niezbędnego minimum. Dlatego do przesyłania prądu na duże odległości stosuje się wysokie napięcie, a małe natężenie. W elektrowniach napięcie wyjściowe wynosi około 20 000 V. Jest ono podwyższane nawet do 440 000 V. W lokalnych punktach (stacjach transformatorowych) obniża się jego wartość stopniowo, aż uzyska się napięcie potrzebne odbiorcy.

Podane wyżej warunki pracy transformatora są uproszczone. W rzeczywistości występują straty energii w transformatorze - przepływ prądu powoduje wzrost temperatury uzwojeń i rdzenia. Jednak zyski z wykorzystania wysokich napięć do przesyłania energii są znacznie większe.

Podczas przesyłania energii kilkakrotnie stosuje się transformatory, aby podwyższać i obniżać napięcie
zasada zachowania energii

– energii nie można wytworzyć ani zniszczyć, można jedynie zmieniać jej formę. Całkowita energia nie ulega zmianie.

transformator

– urządzenie, które przenosi energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Zmienia parametry prądu elektrycznego.

moc (P)

– szybkość przekazywanej energii. Jednostką mocy w układzie SI jest wat (W).

Podsumowanie

  • Jeżeli w pobliżu przewodnika będziemy zmieniać pole magnetyczne, to między końcami tego przewodnika pojawi się napięcie elektryczne. Zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczneą.

  • Jeżeli z przewodnika powstał obwód zamknięty, to popłynie w nim prąd indukcyjny.

  • Zjawisko indukcji elektromagnetycznej to podstawowe źródło wywarzania energii elektrycznej.

  • Do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości służą linie wysokiego napięcia.

  • Stosowanie wysokicego napięcia podczas przesyłania energii elektrycznej powoduje, że zmniejsza się natężenie płynącego prądu a straty związane z emisją ciepła do otoczenia są minimalne.

  • Transformator jest urządzeniem, które może obniżać lub podwyższać napięcie poprzez dobranie odpowiedniej liczby zwojów.

  • Transformator zbudowany jest z uzwojeń pierwotnego i wtórnego, które są nawinięte na ferromagnetycznym rdzeniu. Podłączenie prądu zmiennego do uzwojenia pierwotnego sprawia, że w uzwojeniu wtórnym zaczyna płynąć prąd. Jest to możliwe dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Zasilacz do ładowania wkrętarki akumulatorowej ma napisane: wejście (input) 220 V i wyjście (output) 12 V, 830 mA. Czy ten zasilacz obniża czy podwyższa napięcie? Uzasadnij odpowiedź i oszacuj natężenie prądu jaki popłynie przez uzwojenie pierwotne transformatora przy zalozeniu braku strat.

Polecenie 1.2

Uzwojenie pierwotne transformatora zawiera 1000 zwojów. Uzwojenie wtórne zawiera także 1000 zwojów, ale jest tak nawinięte, że po 100, 300 i 800 zwojach znajdują się tzw. odczepy. Do uzwojenia pierwotnego podłączono napięcie 230 V z sieci domowej. W jaki sposób możemy uzyskać napięcie: 23 V, 46 V, 69 V, 115 V i 161 V?

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6