Magnetyzm — notatki z fizyki: pola, siła Lorentza, indukcja

Pole magnetyczne i jego linie

Istota pola i linie sił

Pole magnetyczne to przestrzeń, w której działają siły magnetyczne na magnesy i ładunki.

• Linie pola: graficzny obraz pola, pokazujący kierunek działania sił magnetycznych.
• Zwrot linii: umownie przyjmuje się go zawsze od bieguna północnego do południowego ($N \rightarrow S$).
• Źródło pola: powstaje zawsze wokół poruszających się ładunków elektrycznych.

💡 Wskazówka: Linie pola magnetycznego nigdy się nie krzyżują i zawsze tworzą zamknięte pętle.

Przewodniki z prądem i Ziemia

Pole wokół przewodników

Prąd płynący w przewodzie tworzy wokół niego własne pole magnetyczne.

• Przewodnik prostoliniowy: linie pola mają kształt okręgów prostopadłych do przewodu.
• Reguła prawej dłoni: kciuk wskazuje kierunek prądu, a zgięte palce zwrot linii pola.
• Pole jednorodne: występuje wewnątrz zwojnicy, gdzie linie pola są do siebie równoległe.

Magnetyzm Ziemi

Ziemia działa jak gigantyczny magnes, ale jej bieguny są przesunięte.

• Bieguny: magnetyczny biegun południowy leży blisko geograficznego bieguna północnego.

💡 Wskazówka: Pamiętaj, że igła kompasu swoim północnym końcem ($N$) wskazuje geograficzną północ, czyli magnetyczne południe ($S$) Ziemi.

Siła elektrodynamiczna

Działanie pola na prąd

Pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem fizyczną siłą, którą możemy łatwo zbadać.

• Siła elektrodynamiczna: siła, z jaką pole magnetyczne działa na przewodnik, w którym płynie prąd.
• Reguła lewej dłoni: linie pola wchodzą w dłoń, cztery palce wskazują prąd, a kciuk zwrot siły.
• Zależność: siła rośnie, gdy zwiększamy natężenie prądu lub używamy silniejszego magnesu.

Oddziaływanie przewodników

• Zgodny kierunek: przewodniki z prądem płynącym w tę samą stronę przyciągają się.
• Przeciwny kierunek: przewodniki z prądem płynącym w przeciwne strony odpychają się.

💡 Wskazówka: Siła elektrodynamiczna jest zawsze prostopadła zarówno do przewodnika, jak i do linii pola magnetycznego.

Ruch ładunków w polu

Tory ruchu cząstek

Zachowanie naładowanej cząstki w polu magnetycznym zależy od kąta, pod jakim w nie wpada.

• Wpadnięcie równoległe: na cząstkę nie działa żadna siła i porusza się ona po linii prostej.
• Wpadnięcie prostopadłe: siła magnetyczna zakrzywia tor ruchu, zmuszając cząstkę do jazdy po okręgu.
• Wpadnięcie pod kątem: cząstka porusza się po linii śrubowej (helisie).

Beispiel: Cząstka wpada prostopadle do pola o indukcji $B$.

1. Siła magnetyczna działa jako siła dośrodkowa: $F_d = F_m$.
2. Tor ruchu cząstki ulega zakrzywieniu w okrąg o promieniu $R$.

💡 Wskazówka: Siła magnetyczna działająca na poruszający się ładunek (siła Lorentza) nigdy nie zmienia wartości prędkości cząstki, a jedynie jej kierunek.

Indukcja elektromagnetyczna

Powstawanie prądu z magnetyzmu

Prąd elektryczny można wygenerować za pomocą zmiennego pola magnetycznego.

• Indukcja elektromagnetyczna: zjawisko wzbudzania prądu w obwodzie przez zmiany pola magnetycznego.
• Prąd indukcyjny: prąd powstały w wyniku indukcji; jego wartość rośnie, im szybciej zmieniamy pole.
• Sposoby wzbudzenia: ruch magnesu w pobliżu cewki lub zmiana natężenia prądu w sąsiedniej cewce.

Ziemska tarcza

• Zorza polarna: zjawisko świetlne powstałe przez zderzenia cząstek wiatru słonecznego z atmosferą przy biegunach.

💡 Wskazówka: Sam nieruchomy magnes umieszczony wewnątrz cewki nie wytworzy prądu – warunkiem koniecznym jest zmiana pola magnetycznego w czasie.

Prądnica i prąd przemienny

Generowanie prądu

Prądnica to urządzenie zamieniające energię mechaniczną (ruch) na energię elektryczną.

• Budowa: składa się ze stojana (magnesy), wirnika (ramka z drutu) oraz szczotek odprowadzających prąd.
• Prąd przemienny: prąd, który okresowo zmienia swój kierunek i natężenie w czasie.

Parametry sieci w Polsce

• Napięcie skuteczne: wynosi $230\text{ V}$ (przy napięciu szczytowym $325\text{ V}$).
• Częstotliwość: wynosi $50\text{ Hz}$, co oznacza, że prąd zmienia kierunek $100$ razy na sekundę.

💡 Wskazówka: Prądnica działa dokładnie odwrotnie do silnika elektrycznego, który zamienia prąd na ruch.

Doświadczenia fizyczne

Doświadczenie Oersteda

To historyczne doświadczenie udowodniło związek elektryczności z magnetyzmem.

• Przebieg: umieszczenie igły magnetycznej pod przewodem i włączenie przepływu prądu.
• Wniosek: igła odchyla się, co dowodzi, że płynący prąd wytwarza wokół siebie pole magnetyczne.

Badanie siły elektrodynamicznej

• Przebieg: zawieszenie ruchomej ramki z drutu między biegunami magnesu i podłączenie zasilania.
• Wniosek: ramka wychyla się w bok, a kierunek wychylenia zależy od kierunku prądu.

💡 Wskazówka: Doświadczenie Oersteda udowadnia, że każde źródło prądu jest jednocześnie źródłem pola magnetycznego.