+ Pokaż spis treści

Przewodnik z prądem w polu magnetycznym

Siła elektrodynamiczna

Jest to siła, która działa na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym. Wartość tej siły zależy od natężenia prądu płynącego przez przewodnik, długości przewodnika i jego ustawienia w polu magnetycznym oraz od cech pola magnetycznego. Wyraża się ona wzorem:  F = B I l  , gdy przewodnik jest ustawiony prostopadle do linii pola magnetycznego. W powyższym wzorze F jest maksymalną silą elektrodynamicznąl - długością tej części przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznym, I - natężeniem prądu płynącego przez przewodnik, a B - wielkością fizyczną, charakteryzującą pole magnetyczne,nazywaną indukcją magnetyczną.

Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej określa reguła lewej dłoni tzw. reguła Fleminga. Siła ta nie działa gdy; a) przez przewodnik nie płynie prąd , b) gdy przewodnik jest ustawiony równolegle do linii pola.

Indukcja magnetyczna [B]

Jest to wielkość wektorowa, styczna do linii sił pola magnetycznego, zwrócona zgodnie z liniami pola. Wartość indukcji magnetycznej [B] w danym miejscu pola jest równa stosunkowi maksymalnej siły[elektrodynamicznej - F] działającej na umieszczony w tym miejscu przewodnik z prądem do iloczynu natężenia prądu [I] i długości [l] przewodnika.

                     

Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla [T]: 
     
 
Wartość indukcji w danym miejscu pola zależy od cech źródła pola magnetycznego, odległości od źródła i rodzaju ośrodka, w którym pole wytworzono. Gdy źródłem pola magnetycznego jest bardzo długi przewodnik , to  w powietrzu lub w próżni , gdzie  r - to odległość punktu pola od przewodnika, I - natężenie prądu w przewodniku, a  jest tzw. przenikalnością magnetyczną próżni. W środku płaszczyzny przewodnika kołowego[w powietrzu lub próżni] , gdzie  r  jest promieniem koła;  a wewnątrz długiej, gęsto nawiniętej cewki , gdzie  z oznacza liczbę zwojów a  l - długość cewki. Wsunięcie do cewki rdzenia ze stali lub niklu powoduje namagnesowanie rdzenia i w konsekwencji zwiększenie indukcji do wartości :, gdzie  jest tzw. względną przenikalnością magnetyczną rdzenia. Względna przenikalność magnetyczna jest różna dla różnych substancji i ze względu na jej wartość substancje dzielą się na ferromagnetyki, paramagnetyki i diamagnetyki. Szczególnie ważnymi są ferromagnetyki, wykorzystywane np. w elektromagnesach.
W w/w wzorach , wyrażenia :  i  stanowią wektorową wielkość fizyczną nazywaną natężeniem pola magnetycznego [H] wyrażaną  w  .
Pomiędzy wektorami B i H jest zależność:      i 

Silnik na prąd stały

Siłę elektrodynamiczną wykorzystuje się między innymi do wykonywania pracy. Urządzenie służące do tego, nazywamy silnikiem.

Silnik stanowi przewodnik zwinięty w kształt ramki [w praktyce jest to kilka ramek], mogącej obracać się wokół osi, umieszczonej w polu magnetycznym [pomiędzy biegunami elektromagnesu]. Przez ramkę przepuszczany jest prąd za pośrednictwem szczotek [S1 i S2], które dociskają do tzw. komutatora. Komutator jest złożony z dwóch półkolistych elementów metalowych, odizolowanych od siebie, połączonych z końcami ramki. Zadaniem komutatora jest zapewnienie stałego kierunku płynięcia prądu przez ramkę względem pola magnetycznego. Gdy przez ramkę płynie prąd , na jej boki działają siły elektrodynamicznepowodujące obrót ramki wokół osi.
Taki silnik może służyć do uruchamiania samochodu [rozrusznik] lub do napędzania niektórych pojazdów [wózki akumulatorowe, samochody - zabawki na baterie, itp.]

Siłę elektrodynamiczną można również wykorzystać do pomiaru natężenia lub napięcia prądu. Wystarczy do ramki doczepić wskazówkę, której koniec będzie przemieszczał się wzdłuż skali z odpowiednimi jednostkami. W mierniku nie ma potrzeby używania komutatora [ramka  może obracać się  tylko o kąty proporcjonalne do natężenia i napięcia], ale do zapewnienia poprawności działania konieczne są sprężynki równoważące skutki działania sił elektrodynamicznych i umożliwiające powrót wskazówki do położenia początkowego po wyłączeniu prądu.

Oddziaływanie przewodników z prądem

Przewodnik z prądem wytwarza wokół siebie, wzdłuż całej długości, pole magnetyczne. Na przewodnik z prądem, który znajdzie się w tym polu działa siła elektrodynamiczna.
 
Oddziaływanie przewodników z prądem jest wzajemne. Gdy w obu przewodnikach popłyną prądy w tych samych kierunkach, przewodniki wzajemnie się przyciągają. Gdy w przewodnikach płyną prądy w przeciwne strony - przewodniki odpychają się.
 
Siła wzajemnego oddziaływania wyraża się wzorem: , gdzie   jest przenikalnością magnetyczną próżni, I1 i  I2 - to natężenia prądów w przewodnikach, l - długość części przewodnika na którą działa siła, a d - to odległość przewodników od siebie.
Gdy  I1 = I2 = 1A oraz l =d = 1m , to w próżni [i w przybliżeniu w powietrzu] wartość siły wynosi F = 2.10-7 N.