Uniwersytet Kazimierza Wielkiego

Wydział Matematyki, Fizyki i Techniki

Kierunek: Edukacja Techniczno - Informatyczna

TEMAT:

ELEKTROMAGNETYZM

ETI II Grupa E

Lena Mruczkowska

Rok akademicki 2008/2009

SPIS TREŚCI

1. POWSTAWANIE POLA MAGNETYCZNEGO…………………….….3

2. INDUKCJA MAGNETYCZNA………………………………………....4

2.1 STRUMIEŃ MAGNETYCZNY……………………………………..5

3. PRZENIKALNOŚĆ MAGNETYCZNA ŚRODOWISKA……………....5

4. NATĘŻENIE POLA MAGNETYCZNEGO…………………………..6

5. WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE MATERIAŁÓW……………………7

6. MAGNESOWANIE CIAŁ……………………………………………..8

• 6.1 HISTERAZA MAGNETYCZNA…………………………..……….8

POWSTAWANIE SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ INDUKCJI….10

ZJAWISKO SAMOINDUKCJI……………………………………….11

ZJAWISKO ELEKTRODYNAMICZNE……………………………..12

PRĄD WIROWY……………………………………………………...13

BIBLIOGRAFIA:

1.INTERNET

1. POWSTAWANIE POLA MAGNETYCZNEGO:

Oddziaływania magnetyczne odkryto wcześniej niż oddziaływania elektryczne. Wiąże się to z istnieniem w przyrodzie tzw. magnesów trwałych (np. rudy żelaza - magnetytu), jak również z tym, że Ziemia zachowuje się jak wielki magnes. Magnesy wywierają działanie na żelazo i stal. Sztuczne magnesy stalowe znalazły szerokie zastosowania jako wskaźniki kierunku północnego i południowego na Ziemi (tzw. kompasy).

Z historią rozwoju magnetyzmu, a w latach późniejszych elektromagnetyzmu, wiążą się m.in. nazwiska, Coulomba, (który w 1785 roku sformułował nie tylko znane nam już prawo oddziaływania ładunków elektrycznych, ale również prawo wzajemnego oddziaływania biegunów magnetycznych), Oersteda, Ampere'a, Biota i Savarta (pole magnetyczne prądu elektrycznego), Faradaya i Lenza (indukcja elektromagnetyczna).

Istnienie pól magnetycznych jest traktowane obecnie (jako następstwo wtórne), jako skutek ruchu ładunków elektrycznych. W chwili obecnej obowiązuje pogląd, że wszelki przepływ prądu elektrycznego powoduje powstanie pola magnetycznego. Jest to zjawisko niezależne od natury prądu je wywołującego: może to być prąd elektronowy w przewodniku metalicznym, prąd jonowy w elektrolicie, czy prąd w gazie. Pole magnetyczne towarzyszy też ruchowi elektronów w atomie, ruchowi jąder atomowych w cząsteczkach itd.

Do charakterystyki wektorowej pola magnetycznego (podobnie jak dla pola elektrycznego) wykorzystuje się dwa wektory, a mianowicie: wektor indukcji magnetycznej oraz wektor natężenia pola magnetycznego. Pole magnetyczne nazywamy jednorodnym, jeżeli w każdym punkcie tego pola istnieje taki sam wektor B (lub H) tzn. w każdym punkcie pola wektor ten ma tę samą wartość, zwrot i kierunek.

Podstawowe właściwości pola magnetycznego

Pole magnetyczne jest to przestrzeń otaczająca magnes trwały lub przewodnik, w którym płynie prąd. Podobnie jak pole elektryczne, pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Są to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w polu magnetycznym.

Na rysunku tym przedstawiono dwie z wielu linii pola magnetycznego wytwarzanego przez sztabkowy magnes trwały. Jak widać, linie sił pola magnetycznego są liniami zamkniętymi. Reguła ta dotyczy dowolnej konfiguracji pola magnetycznego.
Każdy magnes ma dwa bieguny N i S. Linie sił pola magnetycznego biegną zawsze od bieguna N do bieguna S. Pole magnetyczne jest bezźródłowe, tzn. nie istnieją "ładunki" magnetyczne. Ruchome ładunki elektryczne wytwarzają pole magnetyczne.

Jako najprostszy przypadek przedstawimy pole magnetyczne wytworzone przez nieskończenie długi prostoliniowy przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny o natężeniu I.

Przewodnik taki wytwarza wirowe pole magnetyczne, którego linie sił pola są okręgami o wspólnym środku. Kierunek pola magnetycznego z kierunkiem prądu kojarzy reguła prawoskrętnej śruby:

Jeżeli wyprostowany kciuk prawej dłoni wskazuje kierunek prądu w przewodniku, to zgięte palce prawej dłoni wskazują zwrot linii sił pola wokół przewodnika prostoliniowego.

Drugim podstawowym przypadkiem jest pole magnetyczne przewodnika kołowego.

Jak widać, pole magnetyczne wytworzone przez przewodnik kołowy ma konfigurację podobną do pola magnetycznego magnesu sztabkowego, dlatego też przewodnik kołowy z prądem traktujemy jako dipol magnetyczny. Kierunek pola magnetycznego wytworzonego przez przewodnik kołowy kojarzy się z kierunkiem prądu w przewodniku - reguła prawoskrętnej śruby.

Iloczyn I·S (S --> powierzchnia obejmowana przez przewodnik) nazywamy momentem magnetycznym przewodnika.

Pojedynczy przewodnik kołowy wytwarza stosunkowo słabe pole magnetyczne. Efekt ten można powiększyć, stosując układ przewodników kołowych połączonych w szereg. Uzyskujemy w ten sposób zwojnicę.

2. INDUKCJA MAGNETYCZNA:

Indukcja magnetyczna jest to stosunek siły, jaka działa w polu na element przewodnika o długości l, do natężenia prądu w tym przewodniku i do jego długości.

Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla T

1 T = N / A * m

Indukcja magnetyczna jest wielkością wektorową. Kierunek tego wektora jest styczny do linii pola magnetycznego, a zwrot można wyznaczyć za pomocą "reguły prawej dłoni".

Jeśli chwycimy przewodnik prawą reką tak, że kciuk wskazuje kierunek przepływu prądu, to pozostałe palce wskażą nam zwrot wektora indukcji magnetycznej

rys. reguła prawej dłoni

2.1 STRUMIEŃ MAGNETYCZNY:

O strumieniu magnetycznym mówimy wtedy, gdy przez jakąś powierzchnię przepływają linie pola magnetycznego. Załóżmy, że w polu jednorodnym przez pewną powierzchnię płaską przepływa strumień. Strumień magnetyczny (lub strumień indukcji magnetycznej) jest definiowany wzorem:

lub

gdzie α jest kątem pomiędzy wektorami B i S . 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.

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 m ² w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 1 T (tesli).

3. PRZENIKALNOŚĆ MAGNETYCZNA ŚRODOWISKA:

Prawo Biota i Savarta

Prawo to pozwala określić w dowolnym punkcie przestrzeni indukcję pola magnetycznego, której źródłem jest element przewodnika, przez który płynie prąd

gdzie:

ΔB - indukcja pola magnetycznego

µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska,

[µ]=1H/m (henr na metr),

I - prąd płynący przez odcinek Δl,

α - kąt między kierunkiem przewodu z prądem i prostą łączącą odcinek Δl z punktem M,

r - odległość punktu M, w którym oblicza się indukcję magnetyczną od elementu Δl

Czynnikiem od którego zależy wartość indukcji magnetycznej jest przenikalność magnetyczna µ, która określa własności magnetyczne środowiska. Podobnie jak przenikalność elektryczną możemy określić ją wzorem

µ=µrµ0

gdzie:

µ0 - stała magnetyczna zwana przenikalnością magnetyczną próżni,

µ0=4π·10-7[H/m]

µr - przenikalność magnetyczna względa środowiska (bezwymiarowa),

Przenikalność magnetyczna względna środowiska (µr określa, ile razy przenikalność magnetyczna względna środowiska jest większa lub mniejsza od przenikalności magnetycznej próżni (µ0

4. NATĘŻENIE POLA MAGNETYCZNEGO:

Natężenie pola magnetycznego jest wielkością wektorową. Wartość tej wielkości zależy od konfiguracji obwodów elektrycznych oraz od prądów płynących w tych obwodach, nie zależy ona od właściwości środowiska, wartość ta jest definiowana przez prawo Biota-Savarta.

Prawo, które określa wielkość i kierunek wektora indukcji magnetycznej B w dowolnym punkcie pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd elektryczny I. Wartość liczbowa indukcji, wytworzonej przez nieskończenie mały element przewodnika _Dl, jest wprostproporcjonalna do długości elementu przewodnika, natężenia prądu w nim płynącego I oraz sinusa kąta a utworzonego przez kierunki elementu przewodnika i wektora łączącego element z punktem pomiarowym, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r od punktu pomiarowego do środka elementu przewodnika z prądem

Natężenie pola elektrycznego wyraża wzór:

H→=B→µ

gdzie:
H→ - wektor natężenia pola elektrycznego
[H]→=1A/m (amper na metr),

[H]→=[B]→[μ]=THm=Wbmm2H=VsmΩs=Am

B→ - wektor indukcji magnetycznej,
µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska,
[µ]=1H/m (henr na metr)

5. WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE MATERIAŁÓW:

Są one związane ze spinowym momentem magnetycznym

1. Diamagnetyki.



Atomy nie posiadają gotowych momentów magnetycznych.

Wstawiony do pola magnetycznego zostanie wypchnięty, ponieważ wewnątrz występuje pole magnetyczne przeciwne do pola zewnętrznego. Pojawiają się momenty magnetyczne wyindukowane.

Przenikalność magnetyczna dla diamagnetyków :
; Ta własność nie zmienia się wraz z temperaturą.

2. Paramagnetyki.

Posiadają niewielką ilość momentów magnetycznych rozłożonych chaotycznie po całej substancji. Wypadkowy moment magnetyczny, a co za tym idzie indukcja, jest równy 0. Przenikalność magnetyczna dla paramagnetyków (m) jest niewiele większa od 1 i zależy od temperatury - istnieje temperatura, gdy paramagnetyk staje się ferromagnetykiem.

3. Ferromagnetyki.

Silnie oddziaływają z polem magnetycznym. Cechą charakterystyczną są domeny - obszary jednakowego namagnesowania (moment magnetyczny ma ściśle określony kierunek).




Wykres zależności pola wewnętrznego od zewnętrznego pola przyłożonego do ferromagnetyka (pętla histerezy) :


Bw - indukcja wewnętrzna;
Bz - indukcja zewnętrzna;
Bp - pozostałość magnetyczna;
Bc - wielkość pola zewnętrznego, które spowoduje całkowite rozmagnesowanie

Po wielu magnesowaniach i rozmagnesowaniach ferromagnetyka indukcja nie osiągnie wartości 0. Pole objęte pętlą histerezy jest miarą strat energii pola magnetycznego podczas magnesowania ferromagnetyka. Pozostałość magnetyczna jest pamięcią magnetyczną - wykorzystane jest to w dyskietkach, taśmach magnetofonowych, wideo itp.

6. MAGNESOWANIE CIAŁ:

Proces nadawania lub zwiększania własności magnet. Magnetyków przez wywoływanie w nich polaryzacji za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego (pocieranie magnesem trwałym lub umieszczenie w polu magnetycznym wytworzonym pod wpływem przepływającego w przewodniku prądu elektrycznego); rozróżnia się:

- statyczne stosowane do materiałów magnetycznych twardych (ferromagnetyki)

-dynamiczne dla materiałów magnetycznych miękkich.

Miarą zmian własności magnetycznych materiału jest namagnesowanie (inaczej magnetyzacja), określane w A/m jako moment magnet. Jednostki objętości materiału. Przejawem namagnesowania jest wytwarzane przez materiał dodatkowe pole magnetyczne Dla wszystkich diamagnetyków i większości paramagnetyków pole to jest bardzo małe w porównaniu z zewn. (magnesującym) polem magnetycznym, a po usunięciu tego pola zanika (materiał całkowicie się rozmagnesowuje); dla ferromagnetyków dodatkowe pole magnetyczne jest wielokrotnie większe od zewn. i nie zanika po jego usunięciu (m.ferromagnetyków polega na przebudowie ich struktury domenowej i zachodzi w kilku etapach, do osiągnięcia stanu nasycenia magnetycznym). Przebieg procesu m. przedstawia się za pomocą krzywych m., których przebieg zależy od "historii magnet." Próbki (histereza magnetyczna).

6.1 HISTERAZA MAGNETYCZNA:

W urządzeniach, w których następuje wielokrotne magnesowanie (np. rdzenie transformatorów), histereza postrzegana jest jako problem, ponieważ jej pole powierzchni jest proporcjonalne do strat energii podczas jednego cyklu przemagnesowania. W takich sytuacjach, poprzez odpowiedni skład chemiczny, obróbkę plastyczną i obróbkę termiczną dąży się do minimalizacji jej powierzchni. Najlepsze materiały magnetycznie miękkie mogą posiadać koercję nawet mniejszą niż 0,1 A/m (np. kobaltowa amorficzna taśma magnetyczna).

Substancje wykazujące histerezę (materiały magnetycznie półtwarde) są wykorzystywane do zapisu informacji w twardych dyskach, dyskietkach, taśmach magnetycznych, kartach kredytowych itp. Po namagnesowaniu fragmentu materiału półtwardego i usunięciu pola magnesującego materiał taki pozostaje namagnesowany. Namagnesowanie to jest zależne (prawie proporcjonalnie) od natężenia pola magnesującego, co jest wykorzystywane w analogowych systemach zapisu dźwięku i obrazu. W systemach cyfrowych magnesuje się ferromagnetyk do nasycenia, zmiana stanu na przeciwny oznacza zmianę sygnału. Sygnał koduje się zazwyczaj czasem między kolejnymi przemagnesowaniami.

W materiałach magnetycznie półtwardych powierzchnia pętli histerezy jest optymalizowana jako kompromis pomiędzy ilością energii zgromadzonej w magnetyku a łatwością jego przemagnesowania (łatwością odczytu/zapisu informacji). Wartości stosowanych koercji materiałów magnetycznie półtwardych są pośrednie pomiędzy materiałami miękkimi i twardymi (jednak bardziej w kierunku materiałów twardych - stąd też nazwa półtwarde).

W materiałach magnetycznie twardych, (czyli w magnesach trwałych) parametrem najważniejszym jest ilość zgromadzonej energii magnetycznej, toteż dąży się do osiągnięcia maksymalnej szerokość pętli histerezy. Parametrem charakterystycznym każdego magnesu jest wartość (B·H)max, którą wylicza się jako wartość maksymalną iloczynu BH z fragmentu histerezy leżącego w drugiej ćwiartce układu osi współrzędnych (tzw. krzywa odmagnesowania). W najnowszych materiałach magnetycznie twardych wartość koercji może osiągać nawet powyżej 20 MA/m.

Krzywa histerezy magnetycznej

Zwrot obiegu pętli histerezy podczas opisanych zmian natężenia pola magnetycznego zaznaczono na rysunku strzałkami. Indukcję magnetyczną, jaka występuje w rdzeniu przy natężeniu pola magnetycznego równym zeru nazywamy indukcją pozostałości "1agnetycznej lub indukcją remanencji i oznaczamy przez Br .Natężenie pola magnetycznego, konieczne do uzyskania indukcji magne­tycznej w rdzeniu równej zeru (p. 3 i 6), nazywamy natężeniem koercji lub natężeniem powściągającym i oznaczamy przez He. Odpowiadającą mu indukcję magnetyczną nazywamy odpowiednio natężeniem pola nasycenia i indukcją magnetyczną nasycenia. Dla danej próbki materiału ferromagnetycznego można otrzymać dowolną liczbę pętli histerezy, przy czym każda będzie odpowiadała innej wartości natężenia pola magnetycznego.

Histereza magnetyczna

Opis: Pętla histerezy magnetycznej: 1 - krzywa namagnesowania pierwotnego, H_c - pole koercji, H_m - pole nasycenia, I_r - namagnesowanie resztkowe, I_s - namagnesowanie nasycenia

7. POWSTAWANIE SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ INDUKCJI:

Zjawisko indukcji magnetycznej zostało odkryte przez M.Faradaya w 1831 roku. Stwierdził on, że zmiana strumienia magnetycznego powoduje powstanie siły elektromotorycznej indukcji, która jest źródłem prądu elektrycznego, zwanego prądem indukcyjnym.

Siła elektromotoryczna indukcji

Rozważmy przewodnik w kształcie ramki, który jest umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji
w płaszczyźnie prostopadłej do linii indukcji. Zakładamy, że jeden z boków ramki AD = l jest ruchomy i możemy go przesuwać ze stałą prędkością
.

Na poruszające się w przewodniku AD elektrony działa siła Lorentza o wartości:

 

Pod wpływem tej siły elektrony przemieszczają się wzdłuż przewodnika, w wyniku, czego na jednym końcu gromadzą się ładunki dodatnie, a na drugim ładunki ujemne. Wewnątrz przewodnika powstaje pole elektryczne o natężeniu
. Natomiast między jego końcami powstaje napięcie, U, które oznaczamy
i nazywamy siłą elektromotoryczną indukcji.

Siła z jaką pole elektrostatyczne działa na elektrony ma wartość:

Ruch elektronów w przewodniku będzie zachodził do momentu, gdy obie siły zrównoważą się:

Prędkość z jaką porusza się przewodnik możemy zapisać następująco:

Zatem

Przewodnik AD w czasie
przesuwa się o
. Przemieszczenie to powoduje zmianę pola powierzchni ramki
, a tym samym zmianę strumienia magnetycznego
.

Podstawiając powyższe wyrażenia otrzymujemy ostateczny wzór określający siłę elektromotoryczną indukcji:

Zasada prawej ręki

Jeżeli prawą rękę ustawimy w polu magnetycznym w taki sposób, że linie pola magnetycznego (od N do S) są skierowane do jej wewnętrznej strony, a przewód porusza się zgodnie ze zwrotem wyciągniętego kciuka, to zwrot indukującej się siły elektromotorycznej jest zgodny ze zwrotem pozostałych palcy.

8. ZJAWISKO SAMOINDUKCJI:

Samoindukcja (indukcja własna) jest zjawiskiem elektromagnetycznym, szczególnym przypadkiem zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Samoindukcja występuje, gdy siła elektromotoryczna wytwarzana jest w tym samym obwodzie, w którym płynie prąd powodujący indukcję, powstająca siła elektromotoryczna przeciwstawia się zmianom natężenia prądu elektrycznego. Indukcyjność obwodu jest równa sile elektromotorycznej samoindukcji, jaka powstaje w obwodzie przy zmianie natężenia o 1 A występująca w czasie 1 sekundy

Zjawisko samoindukcji opisuje wzór:

,

gdzie:

to indukowana siła elektromotoryczna w woltach,

L - Indukcyjność cewki lub elementu obwodu elektrycznego,

I - natężenie prądu w amperach,

t - czas w sekundach

Samoindukcja przeciwdziałając zmianie natężenia prądu powoduje:

• Opóźnia wzrost i spadek natężenia prądu,

• Wywołuje przepięcia niszczące obwody po wyłączeniu cewek,

• Zmniejszenie natężenia prądu zmiennego.

Opór, który prąd napotyka na skutek działania samoindukcji określany jest potocznie mianem induktancji. Induktancja ta powoduje również przesunięcie fazowe płynącego prądu.

Samoindukcja występuje przede wszystkim w cewkach, ale także w mniejszym stopniu w każdym przewodniku elektrycznym. Wartość siły elektromotorycznej samoindukcji zależy od szybkości zmian natężenia prądu w obwodzie.

Współczynnik samoindukcji ma wartość 1 H, kiedy zmiana natężenia prądu o 1 A spowoduje zmianę strumienia o 1 Wb lub kiedy ta sama zmiana w czasie 1 sekundy spowoduje powstanie SEM (siły elektromotorycznej) o wartości 1 wolta.

9. ZJAWISKO ELEKTRODYNAMICZNE

Ramkę z drutu umieszczamy między biegunami magnesu podkowiastego.

Gdy do ramki podłączymy napięcie, zauważymy wychylenie się ramki. Po podłączeniu napięcia płynie prąd, więc na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną.
Po przeprowadzeniu doświadczenia zauważymy, że siła ta proporcjonalna jest do natężenia prądu I w przewodniku oraz do długości tego przewodnika. Aby znak proporcjonalności zastąpić równością, wprowadzamy współczynnik proporcjonalności B, zwany indukcją magnetyczną. Indukcja magnetyczna zależy od rodzaju substancji wypełniającej pole (otoczenie przewodnika).

Rozpatrzyliśmy przypadek, gdy część ramki, na którą działała siła, ustawiona była prostopadle do linii pola magnetycznego. Gdyby między liniami pola a przewodnikiem był kąt α, wtedy:

Ogólnie w postaci wektorowej powyższy wzór można zapisać jako:

Indukcja pola magnetycznego jest wektorem charakteryzującym pole. Mówi nam o tym, jak silne jest dane pole magnetyczne. Jest ona związana z drugą wielkością, również traktującą o "sile" pola, tj. z natężeniem pola magnetycznego zależnością:

gdzie:
B - indukcja pola magnetycznego,
µ₀ - przenikalność magnetyczna próżni,
µ_R - względna przenikalność magnetyczna danego środowiska,
H - natężenie pola magnetycznego.

Podajmy teraz jednostkę indukcji magnetycznej:

1 tesla (T) jest to indukcja pola magnetycznego, w którym na prostoliniowy przewodnik z prądem o natężeniu 1 ampera, ustawiony prostopadle do linii pola, działa siła 1N.

Przenikalność magnetyczna próżni ma wartość:

Względna przenikalność magnetyczna jest liczba niemianowaną, różną dla różnych środowisk, a w próżni ma wartość 1.

Siła elektrodynamiczna jest wielkością wektorową. Jej wartość wyraziliśmy wyżej, zaś teraz wyznaczymy jej kierunek i zwrot, a pomocna będzie nam do tego tzw. reguła Fleminga:

Jeżeli cztery palce lewej dłoni wskazują kierunek przepływu prądu, a dłoń jest przekłuwana od wewnątrz przez linie pola, to odchylony kciuk wskazuje zwrot siły elektrodynamicznej.

Reguła jak widać dotyczy przypadku, gdy przewodnik jest ustawiony prostopadle do linii pola, a zarazem do wektora B.

10. PRĄDY WIROWE

Prądy wirowe

Prąd indukcyjny można wzbudzić nie tylko w w przewodnikach w kształcie pierścienia lub zwojnicy, ale również w dużej bryle przewodnika, np. grubej płycie.

Rys. 1. Wahadło Waltenhofena (aluminiowa tarcza cyklicznie porusza się między biegunami elektromagnesu)

Tarcza gwałtownie hamuje po wejściu w obszar pola magnetycznego, ponieważ zmiana pola magnetycznego obejmowanego przez tarczę powoduje indukowanie się wewnątrz niej prądów, których pole magnetyczne, zgodnie z reguła, Lenza, przeciwdziała ruchowi.

Rys. 2. Gdy tarcza zbiża się do biegunów magnesu, prądy wirowe majją taki kierunek, że wytworzone przez nie pole magnetyczne przeciwdziała zbliżniu (od strony bieguna N magnesu tworzy się na tarczy biegun N i występuje odpychanie).

Rys. 3. Po przejściu tarczy między biegunami magnesu następuje zmiana kierunku prądu wirowego i przeorientowanie wytworzonego przez ten prąd pola magnetycznego (wahadło jest nadal hamowane).

Analizując mechanizm powstawania SEM_ind i prądów wirowych dochodzimy do wniosku, że zmiana pola magnetycznego wywołuje powstawanie wirowego pola elektrycznego powodującego ruch ładunków w przewodniku lub metalowej płycie. Takie wirowe pole elektryczne powstaje rónież wtedy, gdy ruch magnesu i związana z tym zmiana pola magnetycznego odbywa się w próżni. Wtedy jednak nie obserwujemy przepływu prądu (brak nośników ładunków elektrycznych).

Rys. 4. Zmiana pola magnetycznego powoduje powstanie wirowego pola elektrycznego wywołujacego ruch ładunków.

Na rys. pokazano drogę przepływu prądu wirowego powstającego w bloku metalowym o kształcie prostopadłościanu, na którym nawinięte jest uzwo­jenie. Prąd w uzwojeniu zmienia się w czasie, na skutek czego zmienia się również strumień magnetyczny w bloku metalowym, a zmiana strumienia powoduje powstanie prądu wirowego.

W celu zmniejszenia prądów wirowych w rdzeniach maszyn elektrycznych i transformatorów, rdzenie te wykonuje się z cienkich blach izolowanych i tak ustawionych, aby zwiększyć opór na drodze prądu wirowego, a przez to zmniejszyć wartość tego prądu.

Zjawisko prądów wirowych wykorzys­tuje się również do budowy mierników elektrycznych, np. liczników energii ele­ktrycznej stosowanych powszechnie w naszych domach

POWSTAWANIE PRĄDÓW WIROWYCH I ICH WYKORZYSTANIE.

W maszynach elektrycznych i niektórych przyrządach spotykamy się z wirowaniem mas metalowych w polu magnetycznym. Podobnie jak przy przecinaniu linii sił pola magnetycznego przez przewodnik, w masach wirujących indukuje się siła elektromotoryczna. Na rysunku przedstawiona jest tarcza metalowa, obracająca się w polu podkowiastego magnesu trwałego, między jego biegunami N i S. Pod wpływem SEM indukcji w tarczy powstają prądy zamykające się w masie metalu. Prądy te nazywamy prądami wirowymi. Kierunek tych prądów jest taki, że wywołane przez nie własne pole magnetyczne jest skierowane przeciwnie polu głównemu. Między polem głównym a prądami wirowymi w tarczy powstają siły F skierowane wg reguły lewej ręki przeciw obrotowi tarczy i wobec tego działające na nią hamująco.

Zjawisko hamowania, wywołane przez prądy wirowe, wyzyskane jest przy budowie hamulców wirujących, przy czym energia hamowania zamienia się na ciepło. Aby zmniejszyć wielkość prądów wirowych, należy powiększyć oporność elektryczną drogi dla każdego obwodu prądu wirowego. W tym celu masy metalowe wirujące w polu magnetycznym dzieli się na odpowiedni cienki warstwy, izolowane między sobą lakierem lub bibułą. W ten sposób wielkość strumienia magnetycznego, przypadająca na poszczególne warstwy, jest odpowiednio mniejsza, a zatem i SEM indukcji wypada mniejsza. Wobec tego i prądy wirowe, które są proporcjonalne do SEM, będą mniejsze, przy czym długość drogi dla prądów będzie uzależniona od grubości warstwy. Ponieważ prądy wirowe powstają przy przecinaniu linii pola przez masę metalową, co równoważne jest zmianie wielkości przecinanego strumienia w jednostce czasu, to zjawisko prądów wirowych powstaje również wtedy, gdy masa jest nieruchoma, zaś strumień przenikający masę zmienia się, co do wielkości.
Aby zmniejszyć straty na prądy wirowe, używa się na części żelazne aparatów znajdujących się w zmiennym polu magnetycznym stopów stali z krzemem, posiadających znaczny opór właściwy. Dzięki temu przy tej samej SEM indukowanej w poszczególnych elementach metalowych opór drogi dla prądu jest większy, a zatem wielkość prądu wirowego mniejsza.

16

---