Pole magnetyczne-informacje ogólne, linie pola, siły i wielkości fizyczne w polu

Pole magnetyczne- stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne(prąd elektryczny), a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego.
W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu. 
Źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki elektryczne.

Linie pola magnetycznego:

To linie wzdłuż których działa siła w danym polu. Linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi. Biegną od bieguna N do S. Linie pola magnetycznego wyznaczają hipotetyczne tory, po których poruszałby się pojedynczy biegun magnetyczny N. W miejscach większego zagęszczenia linii oddziaływania magnetyczne są silniejsze.

Siły i wielkości fizyczne w polu magnetycznym:

Wielkościami fizycznymi używanymi do opisu pola magnetycznego jest indukcja magnetyczna (B) i natężenie pola magnetycznego (H), które są zapisane zależnością:

u - przenikalność magnetyczna ośrodka


Pole magnetyczne definiuje się przez siłę, jaka działa na poruszający się ładunek w tym polu:

F - siła działająca na ładunek
X - symbol iloczynu wektorowego
q - ładunek elektryczny
v - prędkość ładunku
B - wektor indukcji magnetycznej
  
Siły, które wyróżnia się w polu magnetycznym to:

  Siła elektrodynamiczna Fel- to siła, z jaką pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem umieszczonym w tym polu. Siła elektrodynamiczna wyrażona jest wzorem:

          a jej wartość wynosi: Fel = I·l·B·sinα,  gdzie: α – kąt pomiędzy wektorami

Siła elektrodynamiczna jest skierowana prostopadle do linii pola magnetycznego oraz prostopadle do przewodnika. Jej zwrot wyznacza się za pomocą tzw. reguły trzech palców lewej dłoni. 

 

 

Jeżeli trzy palce lewej dłoni: wskazujący, środkowy i kciuk ustawimy wzajemnie prostopadle i tak, aby palec wskazujący pokazywał zwrot wektora indukcji, palec środkowy zwrot i kierunek prądu w przewodniku, to kciuk wskaże zwrot siły elektrodynamicznej.

 Siła Lorentza- to siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Wzór podany został po raz pierwszy przez Lorentza i dlatego nazwano go jego imieniem. Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pola magnetycznego.

 

F = q(E + v x B)

F - siła (podana w niutonach),
E - natężenie pola elektrycznego (wolt/metr),
B – indukcja magnetyczna (w teslach), 
q – ładunek elektryczny cząstki (w kolumbach), 
v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę),
× – iloczyn wektorowy.

Terminem siła Lorentza określa się czasem samą składowa magnetyczną tej siły i jej wartość oblicza się ze wzoru:

Kierunek działania siły Lorentza jest zależny od ładunku cząsteczki oraz od reguły lewej dłoni:

  

Jeżeli ustawiamy lewą dłoń tak, aby linie pola magnetycznego wchodziły w nią, a cztery wyciągnięte palce były skierowane zgodnie z kierunkiem prądu, wówczas odchylony o 90º kciuk wskazuje kierunek i zwrot siły magnetycznej. 

FILM przedstawiający użycie siły Lorentza w praktyce:

http://www.youtube.com/watch?v=RbTIKZFfGlA

Prądnica-Informacje ogólne, budowa, rodzaje i zasada działania

Prądnica- to urządzenie, wytwarzające energię elektryczną kosztem dostarczonej jej energii mechanicznej.

Pierwszą prądnicę skonstruował w 1831 roku odkrywca indukcji elektromagnetycznej Michael Faraday. Jego prądnica, zwana dyskiem Faradaya lub maszyną jednobiegunową, wytwarzała prąd w wyniku obrotu miedzianego dysku w polu magnetycznym podkowiastych magnesów trwałych. Prądnica ta wytwarzała prąd stały o dużym natężeniu, lecz niewielkim napięciu.
W 1832 roku francuski fizyk Hippolyte Pixii skonstruował prądnicę prądu przemiennego, w której prąd elektryczny był wytwarzany w wyniku obrotu magnesu w pobliżu zwojnicy. Po wprowadzeniu zwojnicy obracającej się w polu magnetycznym magnesu oraz po zastosowaniu komutatora uzyskano prądnicę, w której prąd płynął w jednym kierunku.

Budowa prądnicy:

Podstawowymi a zarazem głównymi częściami prądnicy są:

~stojan (nieruchoma część związana z obudową)

~wirnik (rotor, część wirująca wewnątrz stojana)

~zwoje przewodnika (nawinięte na wirnik i przecinające pole magnetyczne)

~magnes (wytwarza zwoje przewodnika i powoduje indukowanie zmiennej siły elektromotorycznej.)

~komutator (w prądnicy prądu stałego zamontowany na wirniku, prostuje przebieg wzbudzanego prądu)

Aby wykonac model prądnicy prądu zmiennego należy uzyc takich materiałów jak:
~dwa magnesy neodymowe
~100m drutu miedzianego emaliowanego
~dioda luminescencyjna
~buteleczka po "activi"
~patyk do szaszłyków
~taśma izolacyjna
~lutownica
~nóż


Rodzaje prądnic:

Ze względu na rodzaj wytwarzanego napięcia prądnice dzieli się na:
~prądnice prądu przemiennego (alternatory)
~prądnice prądu stałego (dysk Faradaya)


Ze względu na budowę i zasadę działania prądnice (generatory) dzieli się na:
~generatory synchroniczne
~generatory asynchroniczne

Ze względu na rodzaj zastosowania i uzwojenie prądnice dzieli się także na:
~prądnice obcowzbudne
~prądnice bocznikowe
~prądnice szeregowe
~prądnice szeregowo bocznikowe
~prądnice pracujące równolegle
~turbogenerator
~dynamo



Zasada działania prądnicy:

Zasada działania prądnicy jest następująca: Uzwojenie cewki  umieszczonej w wirniku prądnicy przecina linie pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające i dzięki temu indukuje się w nim zmienna siła elektromotoryczna.

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

 Jak wiadomo strumień dΦ możemy zamienić na iloczyn skalarny wektora B indukcja magnetyczna) i ds, gdzie powierzchnia ds jest powierzchnią zakreśloną przez przewodnik w czasie dt, a więc nasz wzór przyjmie postać:

E = - Bds/dt

 Rozkładając teraz powierzchnię S na dwie składowe lw (długość) i dx (drogę przebytą w czasie dt) możemy zapisać:

E = - Blwdx/dt = - Blwv

Gdzie v jest prędkością liniową przewodników.

Napięcie powstające na zaciskach maszyny jest sumą sił elektromotorycznych indukowanych w poszczególnych cewkach wirnika połączonych szeregowo. Ponieważ osie cewek są wzajemnie przesunięte w przestrzeni i w danej chwili każda z nich znajduje się w innych warunkach magnetycznych, napięcie powstające na zaciskach twornika jest sumą wartości chwilowych sił elektromotorycznych indukowanych w każdej z cewek.
Wartość siły elektromotorycznej indukowanej w uzwojeniu twornika wynosi:

E = k Φ n

Gdzie Φ jest wartością strumienia magnetycznego, n prędkością obrotową (obr/min), a k stałą konstrukcyjną maszyny. W trakcie pracy prądnicy napięcie na zaciskach obwodu jest mniejsze od całkowitej siły elektromotorycznej o spadek napięcia na rezystancji wszystkich elementów obwodu, a więc wynosi

U = E - ItRt It jest wartością prądu przepływającego przez uzwojenie twornika, Rt wartością oporu czynnego twornika.

Zasadę działania prądnicy prądu przemiennego najłatwiej wyjaśnić na przykładzie ramki obracającej się w stałym polu magnetycznym. 

Całkowity strumień magnetyczny przenikający przez ramkę wyraża się wzorem :



Ponieważ kąt alfa jest zależny od czasu i wyraża się wzorem: Nasz wzór na strumień przyjmie ostatecznie postać: Z prawa Faraday’a wiemy że siła elektromotoryczna e wyraża się wzorem : Więc siła elektromotoryczna wytwarzająca się w ramce po scałkowaniu będzie równa : Jak wynika ze wzoru, siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie, a największą wartość przyjmuje wówczas gdy ramka jest prostopadła do linii pola magnetycznego (linie sił są równoległe do wektora normalnego powierzchni ramki).
Z modelu prądnicy prądu przemiennego można łatwo przejść do prądnicy prądu stałego poprzez założenie komutatora na trzpień wirnika, prostującego przebieg prądu. Siła elektromotoryczna wytwarzana przez taką prądnicę będzie się wyrażała wzorem :
  

FILM prezentujący prosty model prądnicy prądu zmiennego:

 http://www.youtube.com/watch?v=1JBU7Z1Nu5A&feature=player_embedded

Silnik elektryczny- to maszyna, która służy do przetwarzania energii elektrycznej na energię mechaniczną.

Głównymi częściami silnika elektrycznego są:
~stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów
~wirnik z uzwojeniem twornikowym

Budowa silnika elektrycznego:

Silnik elektryczny składa się z:
~szczotka(dostarcza prąd do silnika)
~magnes(wytwarza pole magnetyczne niezbędne do wprawienia ramki w ruch)
~komutator(zmienia kierunek prądu w ramce)
~wirnik[ramka] (część silnika wprawiana w ruch, przez dostarczenie prądu)

Aby zbudować prosty silnik elektryczny, należy zebrać takie materiały jak:
 - podstawka (drewniana)
 - bateria (4.5V)
 - magnes
 - 40cm emaliowanego drutu (miedzianego)
 - dwa krótkie kawałki drutu
 - dwa spinacze
 - para pinezek

Zastosowanie silnika elektrycznego:

Do pracy dorywczej, do pracy przerywanej, dwuwirnikowy, dźwignicowy, głębinowy, histerezowy, kołnierzowy, kompensowany, komutatorowy, komutatorowy o przesuwnych szczotkach, liniowy, jawnobiegunowy, kubkowy, bezżlobkowy, małej mocy – ułamkowy i mikroułamkowy, momentowy, morski, nastawczy, nawrotny, o dużej przeciążalności, okapturzony, okrętowy, o jednym kierunku obrotów, otwarty, o stałym momencie obrotowym, położeniowy, pomiarowy, potokowy-walcowniczy, potrójny, przekładniowy, reluktancyjny, repulsyjny, synchroniczny wału elektrycznego, szybkoobrotowy, trakcyjny, tarczowy, ukrytobiegunowy, uniwersalny, wibracyjny, zamknięty, z obwodami drukowanymi, zwartobiegunowy.

Zasada działania silnika elektrycznego: 

Zasada działania silnika elektrycznego jest następująca: wirnik obraca się dzięki temu, że uzwojenia przewodzące prąd umieszczone są w polu magnetycznym. Te dwa pola kolidują ze sobą powodując ruch wirnika (ramki). Rozmieszczenie przestrzenne magnesu i ramki przez którą płynie prąd powoduje obrót ramki do pozycji pionowej. Komutatory poprzez szybką zmianę kierunku przepływu prądu przez ramkę powodują dalszy obrót. Po tym proces zaczyna się od początku i cykl rozpoczyna się na nowo.
Siła ta jest prostopadła do płaszczyzny wyznaczonej przez wektor indukcji magnetycznej B i kierunek płynącego prądu.
 

 

 FILM prezentujący prosty model silnika elektrycznego:

http://www.youtube.com/watch?v=Fpp8fm_3aVw&feature=mfu_in_order&list=UL

FILM przedstawiający drugi prosty model silnika elektrycznego:

http://www.youtube.com/watch?v=Ya-cP4jIs-0

FILM pokazujący trzeci prosty model silnika elektrycznego:

http://www.youtube.com/watch?v=J1zZwvmW6FQ

Schemat pracy silnika elektrycznego prądu stałego:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schemat_pracy_silnika_elektryczne_pr%C4%85du_sta%C5%82ego.gif