Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkół: • Zespół Szkół Nr5 w Szczecinku • ZSUG w Pleszewie • ID grupy: • 97/18_mf_g1 • 97/41_mf_g1 • Kompetencja: • matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • Pole magnetyczne • Semestr/rok szkolny: • II / 2010/2011

3. TP 078 pole magnetyczne

4. -Natężenie pola magnetycznego H jest to wielkość charakteryzująca pole magnetyczne w próżni -Indukcja magnetyczna B Wielkości fizyczne opisujące pole magnetyczne w danym środowisku: 0 -właściwości w próżni r- właściwości w środowisku Wielkości fizyczne opisujące pole magnetyczne

5. W 1820 roku duński fizyk Hans Christian Oersted ( ur. 14 sierpnia 1777 w Rudkobing, zm. 9 marca 1851 w Kopenhadze ) odkrył, że istnieje związek pomiędzy zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi. Odkrył on, iż przepuszczając prąd elektryczny (otrzymywany za pomocą ogniw galwanicznych) w przewodniku położonym nad igiełką magnetyczną zauważamy jej wychylenie Doświadczenie oersted’a

6. Opis doświadczenia Jego doświadczenie rozpoczęło się podczas wykładu o elektryczności. Żeby zademonstrować studentom wydzielanie się ciepła podczas przepływu prądu o dużym natężeniu, Oersted podłączył do baterii elektrycznej długi przewód. W tym momencie leżący niedaleko kompas przestał wskazywać północ. Profesor wywnioskował z tego, że przepływający prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, które wpływa na zachowanie kompasu. Dalsze obserwacje wskazały, że igła wychyla się zawsze w tę samą stronę dla prądów płynących w tym samym kierunku. Okazało się również, że poziom wychylenia zależy od natężenia prądu płynącego w przewodniku.

7. Prądy o małym natężeniu powodują małe wychylenie igły, zaś te o dużym natężeniu powodują jej prawie prostopadłe ustawienie.

9. Reguła prawej dłoni Jeśli prawą dłonią obejmiemy przewodnik w taki sposób, że odchylony kciuk będzie zwrócony zgodnie z kierunkiem prądu płynącego przez przewodnik, to pozostałe cztery zgięte palce wskażą zwrot linii pola magnetycznego.

10. Wielkościami informującymi o tym jak silne jest pole magnetyczne są: H natężenie pola B indukcja magnetyczna Na podstawie reagowania igły magnetycznej stwierdzimy, że natężenie pola magnetycznego przewodnika jest tym większe, im większe jest natężenie prądu w przewodniku i im mniejsza jest odległość punktu pola do przewodnika. Pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego

11. Zatem: Aby napisać równość wprowadzimy współczynnik proporcjonalności, który dla przewodnika nieskończenie długiego wynosi 1/2π . Tak więc natężenie pola magnetycznego wokół tego przewodnika ma wartość: Z tego wzoru możemy wyznaczyć jednostkę natężenia pola magnetycznego: Indukcja magnetyczna:

12. Natężenie pola magnetycznego i indukcja są to wektory styczne do linii pola. Kształt linii pola zbadamy za pomocą opiłków żelaza posypanych na płytkę prostopadłą do przewodnika. Opiłki te utworzą okręgi współśrodkowe. Zwrot linii określamy za pomocą reguły śruby prawoskrętnej . Gdy w sąsiedztwie znajduje się kilka przewodników z prądem, zachodzi superpozycja pól. Natężenie pola i indukcja magnetyczna są wypadkowymi poszczególnych pól składowych.

14. Solenoid jest zwojnicą składającą się z przewodników kołowych połączonych szeregowo. Za pomocą igły magnetycznej wykazujemy istnienie pola magnetycznego wokół solenoidu. Zasadę oznaczania biegunów w solenoidzie przedstawia rysunek. Pole magnetyczne wokół solenoidu

15. Strzałki, które tworzą litery biegunów, muszą zmierzać ku końcom tych liter zgodnie z kierunkiem prądu. Natężenie wewnątrz solenoidu jest wprost proporcjonalne do: I[A] natężenia prądu n ilości zwojów, l [m] odwrotnie proporcjonalne do długości solenoidu l : Współczynnik proporcjonalności wynosi 1, więc natężenie wewnątrz solenoidu wynosi: Indukcja magnetyczna:

16. Prawo Biota – Savart’a-Laplace’a Indukcja magnetyczna w danym punkcie pola magnetycznego wytworzona przez przewodnik z prądem o dowolnym kształcie jest sumą wektorową indukcji pochodzących od małych odcinków przewodnika z prądem. Laplace zakładał, że obowiązuje zasada superpozycji tzn. niezależnego działania pól

17. Siła z jaką działa pole magnetyczne na przewód elektryczny, w którym płynie prąd elektryczny. Na umieszczony w polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B prostoliniowy przewodnik o długości l, przez który płynie prąd o natężeniu I, działa siła F, którą wektorowo określa wzór: Siła elektrodynamiczna Kąt α jest to kąt między kierunkiem przepływu prądu a kierunkiem linii pola. Kierunek siły jest prostopadły do linii pola magnetycznego i przewodu. Zwrot siły określa reguła lewej dłoni.

18. Jest to urządzenie elektrotechniczne służące do zmiany energii elektrycznej na energię mechaniczną. Ze względu na rodzaj napięcia zasilającego, silniki elektryczne dzielimy na: silniki elektryczne prądu stałego, silniki elektryczne prądu zmiennego, silniki uniwersalne. Silnik składa się z: szczotek - które dostarczają prąd do silnika, komutatorów - które zmieniają kierunek prądu w ramce, magnesów - które wytwarzają pole magnetyczne niezbędne do wprawienia ramki w ruch, wirnika (ramki) - dzięki dostarczeniu prądu to właśnie ta część silnika jest wprawiana w ruch. Silnik elektryczny

19. Wirnik obraca się dzięki temu, że uzwojenia przewodzące prąd umieszczone są w polu magnetycznym. Te dwa pola oddziaływują ze sobą powodując ruch wirnika (ramki). Komutatory poprzez szybką zmianę kierunku przepływu prądu przez ramkę powodują dalszy obrót (gdyby nie komutatory to ramka ciągle powracałaby do pozycji początkowej, a właśnie komutatory powodują jej dalszy obrót w jedną stronę).Po tym proces zaczyna się od początku i cykl rozpoczyna się na nowo. Silnik elektryczny - działanie

20. Siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pola magnetycznego (składników pola elektromagnetycznego): gdzie: F[N]– wektor siły (w niutonach), q [C]– ładunek elektryczny cząstki (w kulombach), B[T] – wektor indukcji magnetycznej (w teslach), V[m/s] – wektor prędkości cząstki (w metrach na sekundę), Siła Lorentz’a

21. Przypadek I Ładunek q umieszczono w polu magnetycznym, nie nadając mu żadnej prędkości początkowej V=0. Na ładunek w polu magnetycznym może działać siła Lorentza (F=Bqvsinα), ale w naszym przypadku ze względu na spoczynek ładunku, wartość tej siły równa jest zeru. Z I zasady dynamiki wynika, że ładunek w tym przypadku pozostaje w spoczynku. Ruch ładunku w polu magnetycznym

22. Przypadek II Ładunkowi q nadano prędkość początkową v o kierunku równoległym do linii pola. Na ładunek może działać siła Lorentza ( F=Bqvsinα), ale ponieważ kąt α=0 , czyli sinα=0 , zatem F=0 . Zgodnie z I zasadą dynamiki, ładunek w tym przypadku porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, zachowując nadaną mu prędkość równoległą do linii pola.

23. Przypadek III Ładunkowi q nadaje się prędkość początkową o kierunku prostopadłym do linii pola. Na ładunek działa siła Lorentza. W naszym przypadku α=90° , a więc sinα=1. Siła Lorentza ma wartość F=Bqv , a jej zwrot wyznaczony za pomocą reguły Fleminga

24. Przypadek IV Ładunkowi q nadaje się prędkość początkową skierowaną pod kątem 0 < α < 90° do linii pola magnetycznego. Prędkość początkową rozkładamy na składowe: równoległą do linii pola v x i prostopadłą do linii pola v y . Gdyby ładunek posiadał jedynie prędkość v x , poruszałby się jak w przypadku II ruchem jednostajnym prostoliniowym, równolegle do linii pola. Gdyby zaś ładunek miał jedynie prędkość prostopadłą do linii pola v y , poruszałby się jak w przypadku III tj. ruchem jednostajnym. Ponieważ ładunek posiada obie prędkości składowe, więc wykonuje oba wyżej wymienione ruchy składowe jednocześnie.

25. Torem ruchu wypadkowego jest linia śrubowa

26. Akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego. Najprostszymi urządzeniami do przyspieszania cząstek są działa elektronowe, które stosuje się w kineskopach telewizorów i monitorów, oscyloskopach oraz generatorach promieniowania rentgenowskiego. akcelerator

27. 1MV akcelerator Cockcrofta - Waltona z 1937 r. stojący w National Science Museum w Londynie.

28. Strumień indukcji magnetycznej (również: strumień indukcji pola magnetycznego) jest strumieniem pola dla indukcji magnetycznej. gdzie α jest kątem pomiędzy wektorami B i S.Pierwszy wzór przedstawia zapis wektorowy, a drugi służy do wyliczenia wartości strumienia.Wektor S ma wartość równą polu powierzchni, przez którą przepływa strumień i jest do tej powierzchni prostopadły. Wektory B i S mnożymy przez siebie skalarnie, więc strumień indukcji magnetycznej jest skalarem. Strumień magnetyczny

29. Na drugim rysunku widzimy, że kąt między wektorami B i S wynosi 0°, zatem wzór na strumień magnetyczny możemy zapisać w następujący sposób: Jednostką strumienia indukcji magnetycznej jest weber. 1 weber (Wb) jest to strumień indukcji magnetycznej przepływający prostopadle przez powierzchnię 1 m2 w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 1 T (tesli).

30. Siła elektromotoryczna jest równa stosunkowi zmian strumienia indukcji magnetycznej do czasu w którym ta zmiana nastąpiła. Za wzbudzenie prądu indukcyjnego odpowiedzialna jest siła elektromotoryczna zależna od szybkości zmian strumienia indykcji magnetycznej. UWAGA!!! Wzbudzony prąd indukcyjny płynie w takim kierunku aby powstałe pole magnetyczne przeciwdziałało przyczynie która ten prąd wzbudziła. Siła elektromotoryczna

31. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej odkryte przez Michaela Faradaya (1791-1867) polega na wzbudzaniu w zamkniętym obwodzie prądu indukcyjnego, pod wpływem zmian strumienia zewnętrznego pola magnetycznego. Bezpośrednią przyczyną przepływu prądu indukcyjnego jest powstająca w obwodzie siła elektromotoryczna . Indukcja elektromagnetyczna

33. Prądnica jest urządzeniem wytwarzającym energię elektryczną kosztem dostarczonej jej energii mechanicznej. Podstawowym zjawiskiem fizycznym odpowiadającym za wytwarzanie prądu w prądnicy jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Podstawowe części prądnicy to stojan, jest to nieruchoma część związana z obudową oraz wirnik, część ruchoma wewnątrz stojana. Na wirnik nawinięte są zwoje przewodnika przecinające pole magnetyczne, wytwarzane przez uzwojenie stojana lub umieszczony zamiast tego magnes, powodując indukowanie zmiennej siły elektromotorycznej. W prądnicy prądu stałego na wirniku zamontowany jest dodatkowo komutator który prostuje przebieg wzbudzanego prądu. Prądnice ze względu na rodzaj wytwarzanego prądu dzielimy na prądnice prądu stałego oraz alternatory (prądnice prądu przemiennego). Dla obu typów prądnic istnieje wiele różnych rodzajów, które omówimy później. prądnica

34. Schemat ideowy prądnicy prądu stałego z komutatorem: Jak już wspomniano wcześniej, w prądnicy wykorzystuje zjawisko indukcji magnetycznej odkryte przez M. Faraday’a. Zasadę działania prądnicy prądu stałego można najprościej wyjaśnić na przykładzie prostoliniowego przewodnika poruszającego się w niezmiennym w czasie polu magnetycznym. Podczas gdy wirnik maszyny pod wpływem zewnętrznych sił wiruje w polu magnetycznym w uzwojeniu twornika indukuje się siła elektromotoryczna rotacji o wartości (korzystając z prawa Faraday’a): E = - dΦ/dt