Start › Definicje i teoria › Fizyka › Magnetyzm i indukcja elektromagnetyczna
∑ Matematyka⚛ Fizyka⬡ Chemia📖 Język polski

Definicje: Magnetyzm i indukcja elektromagnetyczna

Magnesy i pole magnetyczne, siła elektrodynamiczna i siła Lorentza, indukcja elektromagnetyczna, prąd przemienny i transformator.

24 definicji
Magnes i magnetyzm — podstawy SP · szkoła podstawowa
Magnes: ciało wytwarzające pole magnetyczne. Każdy magnes ma dwa bieguny: N (północny) i S (południowy). Jednoimienne bieguny odpychają się, różnoimienne przyciągają.
Pole magnetyczne Ziemi: geograficzny biegun N = magnetyczny biegun S (dlatego igła kompasu wskazuje N).
Prosto mówiąc: Pole magnetyczne to obszar, w którym działają siły magnetyczne. Linie pola wychodzą z N, wchodzą do S (na zewnątrz magnesu). Im gęściej narysowane linie — tym silniejsze pole.
Elektromagnes: prąd przepływający przez cewkę wytwarza pole magnetyczne — jak prętowy magnes. Polaryzacja zależy od kierunku prądu (reguła prawej ręki). Zastosowania: silniki, transformatory, MRI.
Siła magnetyczna na przewodnik z prądem: $F = BIl\sin\alpha$ [N]
Gdzie $B$ — indukcja magnetyczna [T], $I$ — prąd [A], $l$ — długość przewodnika w polu [m].
Przykład: Przewodnik długości 0,5 m z prądem 2 A w polu $B=0{,}3$ T prostopadle do linii pola ($\alpha=90°$). $$F = 0{,}3 \cdot 2 \cdot 0{,}5 \cdot \sin 90° = 0{,}3 \text{ N}$$
⚡ Zapamiętaj: Magnesu NIE da się podzielić na sam biegun N lub sam S — po przecięciu powstają dwa mniejsze magnesy, każdy z biegunem N i S. Monopolu magnetycznego jeszcze nie odkryto.
Pole elektryczne i magnetyczne — pojęcia SP · szkoła podstawowa
Pole elektryczne: Przestrzeń wokół ładunku elektrycznego, w której inne ładunki doznają siły elektrycznej. Natężenie pola: $\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}$ [V/m]. Linie pola biegną od $+$ do $-$.
Pole magnetyczne: Przestrzeń, w której magnes lub przewodnik z prądem doznaje sił. Indukcja magnetyczna: $\vec{B}$ [T — tesla].
Prosto mówiąc:
  • Pole elektryczne: wyobraź niewidzialne strzałki wokół ładunku, wskazujące kierunek siły na próbny ładunek $+$.
  • Pole magnetyczne: wyobraź opiłki żelaza wokół magnesu — układają się wzdłuż linii pola.
Ważne pojęcia:
  • Potencjał elektryczny $V$: energia przypadająca na jednostkowy ładunek; $V = \frac{W}{q}$ [V]
  • Napięcie $U = V_1 - V_2$: różnica potencjałów między punktami
  • Kondensator: gromadzi ładunek; $Q = CU$, energia $E = \frac{1}{2}CU^2$
  • Siła Lorentza: siła na ładunek w polu magnetycznym: $F = qvB\sin\alpha$
Przykład: Ładunek $q = 2\,\mu$C w polu $E = 500$ V/m. Siła?
  1. $F = qE = 2 \times 10^{-6} \cdot 500 = 10^{-3}$ N $= 1$ mN
⚡ Zapamiętaj: Pole elektryczne — praca zależy od RÓŻNICY potencjałów (napięcia), nie od drogi! Pole magnetyczne NIE wykonuje pracy na poruszający się ładunek (siła prostopadła do prędkości).
Magnesy i oddziaływania magnetyczne (klasa 8 SP) SP · szkoła podstawowa

Bieguny

Każdy magnes ma biegun północny i południowy — nie da się ich rozdzielić.

Oddziaływanie

Bieguny jednoimienne odpychają się, różnoimienne przyciągają.

Ferromagnetyki

Żelazo, nikiel i kobalt są przyciągane przez magnes.

Pole magnetyczne — pole magnetyczne Ziemi (klasa 8 SP) SP · szkoła podstawowa

Pole magnetyczne

Obszar wokół magnesu, w którym działa siła magnetyczna; obrazują je linie pola.

Pole Ziemi

Ziemia jest wielkim magnesem — igła kompasu ustawia się wzdłuż jej pola.

Bieguny

Magnetyczne bieguny Ziemi nie pokrywają się dokładnie z geograficznymi.

Przewodnik z prądem w polu magnetycznym (klasa 8 SP) SP · szkoła podstawowa

Pole wokół prądu

Przewodnik z prądem wytwarza wokół siebie pole magnetyczne.

Siła

Na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła.

Zastosowanie

To podstawa działania silnika elektrycznego.

Elektromagnes (klasa 8 SP) SP · szkoła podstawowa
Temat lekcji: Elektromagnes

Budowa

Zwojnica (cewka) nawinięta na rdzeń z miękkiego żelaza.

Działanie

Po włączeniu prądu staje się magnesem; po wyłączeniu traci właściwości.

Zastosowania

Dzwonek, przekaźnik, dźwig elektromagnetyczny.

Silnik elektryczny (klasa 8 SP) SP · szkoła podstawowa
Temat lekcji: Silnik elektryczny

Zasada

Zamienia energię elektryczną w mechaniczną dzięki sile działającej na ramkę z prądem.

Budowa

Wirnik z uzwojeniem, magnesy oraz komutator.

Zastosowanie

Napędza pralki, wentylatory, pojazdy elektryczne.

Indukcja elektromagnetyczna LO · szkoła średnia
Prawo Faradaya: SEM indukcji jest proporcjonalna do szybkości zmiany strumienia magnetycznego przez obwód: $$\varepsilon = -\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} \quad \text{(1 zwój)}; \qquad \varepsilon = -N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} \quad \text{(N zwojów)}$$ Strumień magnetyczny: $\Phi = B \cdot S \cdot \cos\alpha$ [Wb = V·s], gdzie $B$ — indukcja [T], $S$ — pole powierzchni, $\alpha$ — kąt między $\vec{B}$ i normalną do powierzchni.
Prosto mówiąc: Zmienne pole magnetyczne generuje prąd elektryczny — i odwrotnie. To zasada działania prądnic, transformatorów i silników elektrycznych.
Reguła Lenza (znak minus w prawie Faradaya): Indukowany prąd ma taki kierunek, by przeciwdziałać zmianie strumienia, która go wywołuje (zasada zachowania energii).

Samoindukcja: $\varepsilon_L = -L\dfrac{\Delta I}{\Delta t}$, gdzie $L$ — indukcyjność [H].
Przykład: Cewka 200 zwojów, strumień zmienia się z 0,01 Wb do 0,05 Wb w ciągu 0,1 s. $$\varepsilon = -N\frac{\Delta\Phi}{\Delta t} = -200 \cdot \frac{0{,}05-0{,}01}{0{,}1} = -200 \cdot 0{,}4 = -80\ \text{V}$$ Wartość bezwzględna SEM = 80 V.
⚡ Zapamiętaj: Transformator zmienia napięcie dzięki indukcji wzajemnej: $\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}$. Podwyższeniu napięcia towarzyszy zmniejszenie prądu (zasada zachowania mocy: $P_1 \approx P_2$).
Siła Lorentza — ruch ładunku w polu magnetycznym LO · szkoła średnia
Siła Lorentza na ładunek $q$ poruszający się z prędkością $v$ w polu $B$: $$\vec{F} = q\vec{v}\times\vec{B}, \quad F = qvB\sin\alpha$$ Gdzie $\alpha$ — kąt między $\vec{v}$ i $\vec{B}$.
Kierunek: prostopadły do obu $\vec{v}$ i $\vec{B}$ (reguła prawej ręki / trójpalcowa).
Prosto mówiąc: Naładowana cząstka leci przez pole magnetyczne — "skręca". Siła zawsze prostopadle do ruchu, więc NIE wykonuje pracy (zmienia kierunek, nie prędkość). Wynik: ruch po okręgu lub spirali.
Ruch po okręgu w polu $B$: siła Lorentza = siła dośrodkowa: $$qvB = \frac{mv^2}{r} \Rightarrow r = \frac{mv}{qB}$$ Aplikacje: akceleratory cząstek (LHC!), spektrometry masowe, silniki elektryczne DC.
Efekt Halla: nagromadzenie ładunków na boku przewodnika — pozwala mierzyć $B$.
Przykład: Proton ($m=1{,}67\times10^{-27}$ kg, $q=1{,}6\times10^{-19}$ C) leci z $v=10^6$ m/s w polu $B=0{,}1$ T (prostopadle). Promień toru? $$r = \frac{mv}{qB} = \frac{1{,}67\times10^{-27}\cdot10^6}{1{,}6\times10^{-19}\cdot0{,}1} = \frac{1{,}67\times10^{-21}}{1{,}6\times10^{-20}} \approx 0{,}10 \text{ m}$$
⚡ Zapamiętaj: Siła Lorentza NIE wykonuje pracy (prostopadła do $v$). Dlatego cząstka krąży z stałą prędkością — pole magnetyczne nie przyspiesza ani nie hamuje, tylko zakrzywia tor.
Pole magnetyczne — indukcja magnetyczna (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Indukcja

Wektor $\vec{B}$ opisujący pole magnetyczne; jednostką jest tesla ($\mathrm{T}$).

Linie pola

Wychodzą z bieguna N, wchodzą do S; są zamknięte.

Źródła

Magnesy trwałe i przewodniki z prądem.

Siła elektrodynamiczna (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Wzór

$F=B I l\sin\alpha$ — siła na przewodnik z prądem w polu magnetycznym.

Kierunek

Wyznacza go reguła lewej dłoni.

Zastosowanie

Silniki elektryczne i mierniki.

Siła Lorentza (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Siła Lorentza

Wzór

$F=q v B\sin\alpha$ — siła na ładunek poruszający się w polu magnetycznym.

Tor

Prostopadle do pola ładunek zakreśla okrąg.

Zastosowanie

Akceleratory, spektrometry masowe.

Pole magnetyczne przewodników z prądem (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Przewodnik prosty

Linie pola to okręgi wokół przewodnika; kierunek z reguły prawej dłoni.

Zwojnica

Wewnątrz solenoidu pole jest jednorodne, jak w magnesie sztabkowym.

Zależność

Indukcja rośnie z natężeniem prądu i liczbą zwojów.

Właściwości magnetyczne materii (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Diamagnetyki

Nieznacznie osłabiają pole (np. miedź, woda).

Paramagnetyki

Nieznacznie wzmacniają pole.

Ferromagnetyki

Silnie wzmacniają pole i mogą pozostać namagnesowane (żelazo).

Strumień magnetyczny (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Strumień magnetyczny

Definicja

$\Phi=B S\cos\alpha$ — miara pola przenikającego powierzchnię.

Jednostka

Weber ($\mathrm{Wb}$).

Znaczenie

Zmiana strumienia wywołuje indukcję elektromagnetyczną.

Prawo indukcji Faradaya (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Treść

SEM indukcji równa jest szybkości zmian strumienia: $\varepsilon=-\frac{\Delta\Phi}{\Delta t}$.

Sposoby

Zmiana pola, powierzchni lub kąta między nimi.

Zastosowanie

Prądnice, transformatory.

Reguła Lenza (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Reguła Lenza

Treść

Prąd indukcyjny przeciwdziała zmianie, która go wywołała.

Znak

Wyjaśnia znak minus w prawie Faradaya.

Zasada

Jest konsekwencją zasady zachowania energii.

Indukcyjność i samoindukcja (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Samoindukcja

Zmiana prądu w cewce indukuje w niej SEM przeciwdziałającą tej zmianie.

Indukcyjność

Wielkość $L$ w henrach; $\varepsilon=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}$.

Zastosowanie

Dławiki, filtry, obwody rezonansowe.

Energia pola magnetycznego (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Cewka

Energia zgromadzona w cewce: $E=\frac{L I^2}{2}$.

Magazynowanie

Energia jest przechowywana w polu magnetycznym.

Analogia

Podobnie jak kondensator gromadzi energię w polu elektrycznym.

Wytwarzanie prądu przemiennego (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Prądnica

Wirująca ramka w polu magnetycznym indukuje napięcie sinusoidalne.

Przebieg

$U=U_0\sin(\omega t)$.

Częstotliwość

W sieci energetycznej wynosi $50\,\mathrm{Hz}$.

Wartości skuteczne napięcia i natężenia (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Definicja

Wartość skuteczna to odpowiednik prądu stałego dający tę samą moc.

Wzory

$U_{sk}=\frac{U_0}{\sqrt{2}}$, $I_{sk}=\frac{I_0}{\sqrt{2}}$.

Uwaga

Podawane napięcie sieci ($230\,\mathrm{V}$) to wartość skuteczna.

Obwody z elementami R, L, C (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Opór i reaktancje

Opornik $R$, reaktancja indukcyjna $X_L=\omega L$, pojemnościowa $X_C=\frac{1}{\omega C}$.

Impedancja

Zastępczy opór obwodu prądu przemiennego.

Rezonans

Zachodzi, gdy $X_L=X_C$.

Moc w obwodzie prądu przemiennego (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia

Moc czynna

$P=U_{sk} I_{sk}\cos\varphi$, gdzie $\cos\varphi$ to współczynnik mocy.

Przesunięcie faz

Między napięciem a natężeniem występuje kąt $\varphi$.

Moc bierna

Nie wykonuje pracy, lecz obciąża sieć.

Transformator (klasa 3 LO) LO · szkoła średnia
Temat lekcji: Transformator

Budowa

Dwa uzwojenia na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym.

Przekładnia

$\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2}$.

Zastosowanie

Zmiana napięcia w przesyle energii elektrycznej.

Zacznij dziś

Zacznij naukę już dziś — to nic nie kosztuje

Załóż bezpłatne konto i otwórz dostęp do pełnego śledzenia postępów, planów nauki i quizów. Arkusze i zadania podstawowe są dostępne bez rejestracji. Już ponad 5 000 uczniów uczy się z Matematix.