Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Ten dział poświęcony został oddziaływaniom magnetycznym. Napisaliśmy o magnesach stałych i ich biegunach, otaczającym je polu magnetycznym, oddziaływaniu magnesów między sobą i na innyme substancjame. Przedstawiliśmy Ziemię jako wielki magnes sztabkowy i wyjaśniliśmy, jak działa kompas. Substancje ze względu na ich właściwości magnetyczne podzieliliśmy na ferro-, para- i diamagnetyki. Pokazaliśmy związek między prądem a magnetyzmem oraz jak ta zależność znalazła zastosowanie w elektromagnesach i silnikach elektrycznych, a także jak przejawia się ona w istnieniu fal elektromagnetycznych (radiowych, świetlnych czy rentgenowskich). Ponadprogramowo przedstawiliśmy ci zjawisko indukcji elektromagnetycznej oraz przykłady jego zastosowania w prądnicy i transformatorze.

Zjawiska magnetyczne od wielu stuleci fascynowały uczonych i wynalazców. I bardzo słusznie – badanie tych zjawisk doprowadziło bowiem do wielu niezwykłych odkryć i powstania urządzeń, które zmieniły oblicze ludzkości

1. Magnes trwały

Magnes – ciało, które przyciąga żelazo albo przyciąga lub odpycha inne magnesy.

  1. Każdy magnes posiada dwa bieguny:

    • północny – oznaczony symbolem N;

    • południowy – oznaczony symbolem S.

  2. Magnes podzielony na pół utworzy dwa magnesy, z których każdy będzie miał dwa bieguny.

  3. Bieguny magnesów oddziałują wzajemnie jeden na drugi:

    • jednoimienne się odpychają;

    • różnoimienne się przyciągają.

2. Pole magnetyczne magnesu

  1. Przestrzeń wokół magnesu nazywana jest polem magnetycznym. Na umieszczone przedmioty żelazne lub inne magnesy umieszczone w tej przestrzeni działa siła magnetyczna.

  2. Pole to można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Ich kształt najłatwiej pokazać za pomocą opiłków żelaznych rozsypanych wokół magnesu.

  3. Pole magnetyczne jest najsilniejsze w pobliżu biegunów i właśnie tam linie sił pola są najbardziej zagęszczone.

  4. Liniom pola nadaje się zwrot od bieguna północnego (N) do bieguna południowego (S).

3. Pole magnetyczne Ziemi. Kompas

  1. Ziemia jako planeta jest otoczona i wypełniona polem magnetycznym.

  2. Jego obecność można wykryć za pomocą igły magnetycznej (małego, lekkiego magnesu w kształcie igły), któr może się swobodnie obracać. Wszystkie takie igły zostawione swobodnie ustawiają się w kierunku północ – południe.

  3. Koniec igły skierowany w kierunku północnym nazwano biegunem północnym (N).

  4. Powyższe właściwości igły magnetycznej wykorzystuje się w działaniu kompasu.

  5. Kompas jest przyrządem, którego zasadniczym elementem jest igła magnetyczna, często mająca kształt strzałki (grot strzałki to biegun N), umieszczona na tle tarczy z podziałka kątową. Igła ta może się obracać w płaszczyźnie poziomej.

  6. Pole magnetyczne Ziemi ma taki kształt, jakby wewnątrz Ziemi znajdował się ogromny magnes sztabkowy.

  7. Południowy biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a północny biegun magnetyczny w pobliżu geograficznego bieguna południowego.

  8. Pole magnetyczne Ziemi, zwane też magnetosferą, sięga daleko w przestrzeń kosmiczną – znacznie dalej niż atmosfera.

4. Substancje magnetyczne

Ze względu na na to, jak magnesy oddziałują na inne substancje, dzielimy je na trzy kategorie:

  1. Ferromagnetyki – silnie przyciągane przez magnes, w obecności innych magnesów same stają się magnesami.

    • przykłady: żelazo, kobalt, nikiel, neodym oraz związki i stopy tych metali.

    • zastosowanie: budowa magnesów trwałych, rdzenie elektromagnesów, rdzenie transformatorów, nośniki pamięci (dyski, dyskietki, taśmy magnetyczne, paski magnetyczne), uchwyty magnetyczne i wiele innych.

  2. Paramagnetyki – słabo przyciągane przez magnes.

    • przykłady: aluminium, sód, potas, lit.

  3. Diamagnetyki – słabo odpychane przez magnes.

    • przykłady: miedź i jej stopy (w tym mosiądz), grafit, bizmut, złoto, woda destylowana, gazy szlachetne, cukry i inne związki organiczne.

5. Pole magnetyczne prądu

  1. Jeśli przez przewodnik płynie prąd, to wokół tego przewodnika powstaje pole magnetyczne.

  2. Obecność oraz kierunek linii tego pola można wykryć za pocą igły magnetycznej.

  3. Zmiana kierunku przepływu prądu w przewodniku wywołuje zmianę kierunku pola magnetycznego wokół niego.

  4. Układ linii pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika.

  5. Powstające wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.

  6. Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole wokół magnesu sztabkowego.

6. Elektromagnesy

  1. Elektromagnes to magnes powstający w wyniku przepływu prądu elektrycznego.

  2. Elektromagnes najczęściej zbudowany jest ze zwojnicy, w której płynie prąd, i ferromagnetycznego rdzenia, wzmacniającego pole magnetyczne.

  3. Elektromagnesy oddziałują na siebie wzajemnie i z magnesami: przyciągają się biegunami różnoimiennymi, a odpychają – jednoimiennymi.

    • dźwigi elektromagnetyczne na złomowiskach;

    • zamki i zawory elektromagnetyczne;

    • włączniki i styczniki elektromagnetyczne;

    • akceleratory;

    • urządzenia do magnetycznego rezonansu jądrowego.

7. Silnik elektryczny

  1. Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną.

  2. Siła ta działa prostopadle do przewodnika oraz prostopadle do linii pola magnetycznego. Zależy od kierunku i natężenia prądu oraz od ustawienia przewodnika względem linii pola.

  3. Oddziaływanie to można wyjaśnić na podstawie oddziaływania magnesu z polem magnetycznym wytworzonym przez prąd płynący w przewodniku.

  4. Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem znalazło zastosowanie w silnikach elektrycznych.

  5. W silniku elektrycznym energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.

  6. Silnik na prąd stały zbudowany jest z:

    • stojana – tworzą go magnesy trwałe lub elektromagnesy;

    • wirnika – ułożyskowanej zwojnicy, umieszczonej między magnesami, czyli wewnątrz stojana.

  7. Wirnik, w którym płynie prąd, staje się elektromagnesem, który oddziałuje na magnesy. Dzięki temu wirnik się obraca.

8. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

  1. Względny ruch magnesu i przewodnika sprawia, że zaczyna płynąć prąd. Nazywamy go prądem indukcyjnym.

  2. W przewodniku umiszczonym w zmiennym polu magnetycznym powstaje napięcie elektryczne – zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną.

  3. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej zostało odkryte niezależnie przez dwóch naukowców – Michaela Faraday'aJosepha Henry'ego.

9. Prądnica i transformator

  1. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej znalazło zastosowanie w prądnicach i transformatorach prądu zmiennego.

  2. W prądnicy energia mechaniczna zamieniana jest na energię elektryczną.

  3. Prądnica (generator prądu) to zwojnica obracająca się w polu magnetycznym.

  4. Przykładem prądnicy jest prądnica rowerowa (tzw. dynamo).

  5. Transformator to urządzenie służące do obniżania lub podwyższania napięcia elektrycznego.

  6. Transformator zbudowany jest z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, które są umieszczone na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym.

  7. Przepływ prądu zmiennego w uzwojeniu pierwotnym wzbudza przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym. Jest to możliwe dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

  8. Za pomocą liczby zwojów na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym możemy regulować napięcie powstające na uzwojeniu wtórnym. Przedstawia to proporcja: napięcie wyjściowenapięcie wejściowe=liczba zwojów uzwojenia wtórnegoliczba zwojów uzwojenia pierwotnego lub UwUp=zwzp

10. Fale elektromagnetyczne

  1. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku zaburzenia pola magnetycznego lub elektrycznego. Dzieje się tak, ponieważ prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego, a źródłem prądu jest zmienne pole magnetyczne. W efekcie wzajemnej zależności elektryczności i magnetyzmu w przestrzeni rozchodzi się zaburzenie nazywane falą elektromagnetyczną.

  2. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością 300 000 km/s.

  3. Długość fali (λ) oblicza się ze wzoru:
    λ=vf
    lub w próżni λ=cf
    gdzie v – prędkość rozchodzenia się fali, f – częstotliwość.

  4. Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne.

  5. Do fal elektromagnetycznych zaliczamy:

    • fale radiowe – mają największą długość fali i najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji oraz telekomunikacji;

    • mikrofale – mają mniejszą długość niż fale radiowe, stosowane są m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych, telefonii komórkowej;

    • podczerwień – ma długość fali mniejszą od mikrofal, ale większą od światła widzialnego, emitowana jest przez wszystkie ciała o temperaturze większej od zera bezwzględnego, także przez ciało człowieka; podczerwień jest stosowana m.in. w noktowizorach, termowizji oraz komunikacji typu IRDA;

    • światło widzialne – światło rejestrowane przez wzrok człowieka; różnym długościom fali odpowiada różna barwa światła: najkrótsze są fale światła fioletowego, a najdłuższe – czerwonego;

    • ultrafiolet – ma większą częstotliwość niż światło widzialne; jego źródłem są lampy kwarcowe i Słońce; w dużych dawkach jest szkodliwy dla skóry, w małych dawkach stosuje się go w terapii schorzeń dermatologicznych; ponadto wykorzystywany jest on do sterylizacji sprzętu medycznego i pomieszczeń, przyspieszania reakcji chemicznych w przemyśle chemicznym, identyfikacji minerałów (spektroskopia UV);

    • promieniowanie rentgenowskie (promienie X) – wytwarzane przez aparaty rentgenowskie, Słońce i inne obiekty astronomiczne; jest przenikliwe (ale zatrzymuje je warstwa ołowiu); promienie X stosowane są w diagnostyce i terapii medycznej oraz do badania struktury wewnętrznej materiałów i konstrukcji, np. elementów silników samolotowych, prześwietlania bagażu na lotniskach;

    • promieniowanie gamma – promieniowanie o najmniejszej długości i największej częstotliwości; emitowane jest przez pierwiastki promieniotwórcze oraz podczas reakcji jądrowych; jest bardzo przenikliwe, silnie jonizujące i zabójcze dla organizmów żywych; stosuje się je w radioterapii nowotworów, w diagnostyce medycznej, do sterylizacji żywności i sprzętu medycznego.

11. Test

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6

12. Zadania

Polecenie 1

Jak nazywają się te miejsca magnesu, które najsilniej przyciągają żelazne lub stalowe (szpilki, spinacze) przedmioty? Podaj ich nazwy oraz symbole.

Polecenie 2

Narysuj kształt linii pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd płynący w zwojnicy.

Polecenie 3

Napisz, jak działa kompas i do czego on służy.

Polecenie 4

Jednym z zastosowań magnesów trwałych są separatory magnetyczne. W ofercie producenta czytamy: Separatory magnetyczne na magnesach stałych (neodymowych lub ferrytowych) służą do oczyszczania różnych materiałów sypkich i lejnych z zanieczyszczeń ferromagnetycznych, takich jak opiłki, druty, śruby czy nakrętki. Z powodzeniem znajdują zastosowanie między innymi w recyklingu materiałów odpadowych. Czy taki separator wystarczy do oczyszczenia makulatury, w której mogą znajdować się stalowe spinacze, mosiężne zszywki do papieru oraz plastikowe nakrętki? Jeśli nie, to które z tych zanieczyszczeń nie zostaną usunięte? Odpowiedź uzasadnij.

Polecenie 5

Czy silny magnes neodymowy można wykorzystać do wybierania okruchów złota z piasku złotonośnego potoku? Odpowiedź uzasadnij.

Polecenie 6

W pobliżu zwojnicy znajduje się kompas. Po włączeniu prądu wskazówka kompasu wskazuje jeden z końców zwojnicy. Magnes sztabkowy zbliżony do tegoż końca zwojnicy jest od niej odpychany. Jakim biegunem zbliżano magnes do zwojnicy?

Polecenie 7

Jeśli zbliżymy kompas do dolnej krawędzi lodówki, to jego wskazówka będzie przyciągana przez lodówkę. Ta sama wskazówka będzie odpychana od górnej krawędzi lodówki (sprawdź ten efekt samodzielnie!).

  1. Czy to oznacza, że obudowa lodówki jest magnesem?

  2. Jeśli tak, to jaki biegun magnetyczny ma górna, a jaki dolna część tej obudowy?

Polecenie 8

Na rysunku poniżej przedstawiono dwie sytuacje, w których przewodnik umieszczono pomiędzy biegunami magnesu. Narysuj wektory siły elektrodynamicznej działającej na przewodniki. Uwaga: na lewym rysunku przewodnik jest umieszczony prostopadle do płaszczyzny kartki i prąd w nim plynie do czytelnika, a na prawym rysunku prąd płynie w głąb kartki.

Polecenie 9

W jaki sposób możemy zmieniać kierunek obrotów wirnika w silniku elektrycznym na prad stały?