Działanie pola magnetycznego na przewodnik

około 12 minut

W tej lekcji1/17

Poprzednio prąd płynący w przewodniku obracał igłę kompasu — prąd wytworzył wokół siebie pole magnetyczne. A teraz odwróćmy to pytanie: skoro prąd potrafi ruszyć magnesem, to czy magnes potrafi ruszyć przewodnikiem? Włóż drut między bieguny podkowiastego magnesu, zamknij obwód — i drut podskakuje, choć nikt go nie dotknął. To ta sama historia opowiedziana od drugiej strony.

Dwie strony jednego zjawiska

Zapamiętaj te dwa zdania razem, bo tworzą parę:

Strona pierwsza, znana z poprzedniej lekcji: wokół przewodnika z prądem krąży pole magnetyczne

Doświadczenie: drut podskakuje po zamknięciu obwodu

Poziomy odcinek drutu zawieszamy swobodnie między biegunami magnesu podkowiastego i podłączamy do baterii. Przy otwartym obwodzie drut wisi spokojnie; w chwili zamknięcia gwałtownie wychyla się w bok. Rozłącz — wraca na miejsce.

Siłę, którą pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem, nazywamy siłą elektrodynamiczną.

Linie pola magnesu biegną od bieguna N do S — to w nie wkładamy przewodnik

Trzy wielkości, od których zależy siła

Wartość siły zależy od trzech rzeczy, i wszystkie działają tak, jak podpowiada zdrowy rozsądek:

- natężenie prądu $I$ — dwa razy większy prąd to dwa razy większa siła,
- długość $l$ odcinka przewodnika w polu — im dłuższy kawałek drutu siedzi między biegunami, tym mocniej jest pchany,
- indukcja magnetyczna $B$ , czyli miara siły pola, w teslach ( $T$ ). Silniejszy magnes to większe $B$ .

Wzór na siłę elektrodynamiczną

Dla przewodnika ustawionego prostopadle do linii pola te trzy wielkości mnożą się przez siebie:

$F = B \cdot I \cdot l$

Podstawiaj konsekwentnie: $B$ w teslach, $I$ w amperach, a $l$ w metrach — dopiero wtedy $F$ wychodzi w niutonach. Odcinek długości 20 cm wpisz jako $l = 0{,}2$ ; wpisany jako $20$ da wynik sto razy za duży.

Siła jest prostopadła — i to zaskakuje najbardziej

Gdzie spodziewamy się siły? Intuicja podpowiada dwie odpowiedzi: albo wzdłuż przewodnika, bo tamtędy płynie prąd, albo wzdłuż linii pola, w stronę bieguna magnesu. Obie są błędne — i tu prawie każdy zgaduje źle.

Siła elektrodynamiczna wypycha przewodnik w bok — tutaj w górę

Trzy kierunki jak w rogu pokoju

Siła elektrodynamiczna jest prostopadła do przewodnika i jednocześnie prostopadła do linii pola magnetycznego.

Konkretny przypadek: prąd na Ciebie, pole w prawo

Weź konkretny przypadek. Patrzysz na przewodnik od czoła, a prąd płynie prosto na Ciebie. Linie pola biegną poziomo w prawo, od bieguna północnego magnesu po lewej do południowego po prawej. Siła nie idzie wtedy ani na Ciebie wzdłuż prądu, ani w prawo wzdłuż pola — wypycha przewodnik pionowo w górę.

Prąd na Ciebie, pole w prawo — siła wychodzi w górę, prostopadle do obu

Przewodnik wzdłuż linii pola: siła znika

Wynika z tego jeszcze jedna rzecz. Jeśli przewodnik ułożysz równolegle do linii pola, nie ma już kierunku prostopadłego do obu naraz — i siła znika całkowicie, choćby prąd był ogromny, a magnes bardzo silny.

Dlatego w doświadczeniach przewodnik układa się w poprzek linii pola. Wtedy siła jest największa.

Reguła lewej dłoni krok po kroku

1
Wyprostuj LEWĄ dłoń. Cztery palce złączone i wyprostowane, kciuk odchylony na bok, prostopadle do nich. Cała dłoń płaska jak deska. To musi być lewa ręka — prawa da wynik odwrotny.
2
Ustaw dłoń tak, żeby linie pola magnetycznego wbijały się we wnętrze dłoni, czyli wchodziły od strony, którą podajesz rękę. Linie pola biegną od bieguna północnego do południowego, więc wnętrze dłoni ma być zwrócone w stronę bieguna północnego magnesu.
3
Nie zmieniając tego ustawienia, obróć dłoń wokół osi palców tak, żeby cztery wyprostowane palce wskazywały kierunek prądu w przewodniku, czyli od plusa do minusa źródła. Jeśli oba warunki naraz nie chcą się spełnić, obróć dłoń o pół obrotu i sprawdź jeszcze raz.
4
Odczytaj wynik: odchylony kciuk pokazuje teraz kierunek siły elektrodynamicznej. To ta strona, w którą przewodnik zostanie wypchnięty.
Wskazówka
Ćwicz to na sucho, bez zadania, aż ręka sama wchodzi w tę pozycję. Na sprawdzianie nie ma czasu na zastanawianie się, która dłoń.
5
Kontrola sensu. Dłoń niczego nie tłumaczy — ona tylko pamięta za Ciebie to, co pokazało doświadczenie: trzy kierunki są wzajemnie prostopadłe, a zwrot siły odwraca się przy odwróceniu prądu albo pola. Sprawdź więc dwie rzeczy. Czy kciuk wyszedł prostopadle i do palców, i do wnętrza dłoni? Jeśli leży wzdłuż któregoś z nich, ustawienie jest złe. I czy odwrócenie prądu obraca kciuk na drugą stronę? Jeśli nie, dłoń przekręciła się po drodze.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Poziomy przewodnik wisi między biegunami magnesu. Po włączeniu prądu odchyla się w górę. Teraz zamieniasz miejscami przewody przy baterii, więc prąd płynie w drugą stronę. Pole magnetyczne zostaje bez zmian. W którą stronę odchyli się przewodnik?

Pułapka! Siła nie ciągnie przewodnika wzdłuż niego samego

To najczęstszy błąd w całym dziale: strzałka siły narysowana wzdłuż drutu, w tę samą stronę co prąd — albo w stronę bieguna magnesu, wzdłuż linii pola. Oba rysunki są błędne, i to nie o kilka stopni, tylko o pełny kąt prosty.

Siła elektrodynamiczna nigdy nie ma kierunku prądu ani kierunku pola. Zawsze jest prostopadła do obu.

Skąd bierze się ta pomyłka

Skąd się bierze ta pomyłka? Z nawyku. Wszystkie siły, które znasz wcześniej, działają wzdłuż czegoś oczywistego: ciężar w dół, naciąg wzdłuż liny, tarcie wzdłuż powierzchni. Tu jest inaczej i trzeba to po prostu przyjąć.

Test w trzy sekundy, zanim oddasz kartkę

Sprawdź swoją strzałkę siły, zanim oddasz kartkę:

Głośnik i silnik, czyli ta sama siła w praktyce

Cewka głośnika i uzwojenie silnika to po prostu przewodnik z prądem w obwodzie

1
Zajrzyj do głośnika. Z tyłu membrany, tej papierowej lub plastikowej stożkowej pokrywy, przyklejona jest cewka z cienkiego drutu. Cewka wisi w szczelinie silnego magnesu trwałego, tak że drut cały czas siedzi w polu magnetycznym.
2
Ze wzmacniacza płynie do cewki prąd, który zmienia kierunek setki albo tysiące razy na sekundę. Pole magnetyczne działa na ten prąd siłą elektrodynamiczną: raz wypycha cewkę do przodu, raz do tyłu, dokładnie w rytm zmian prądu.
3
Cewka ciągnie za sobą membranę, membrana popycha powietrze — i tak powstaje dźwięk. Im większe natężenie prądu, tym większa siła, większy wychył membrany i głośniejszy dźwięk. Im szybciej prąd zmienia kierunek, tym wyższy dźwięk. Głośnik jest więc maszyną zamieniającą siłę elektrodynamiczną w falę dźwiękową.
Wskazówka
Dlatego głośnik ma w środku magnes, mimo że nic w nim nie wygląda na magnetyczne. Bez pola nie ma siły, a bez siły nie ma dźwięku.
4
Drugie zastosowanie znasz z nazwy: silnik elektryczny. Między biegunami magnesu umieszczamy ramkę z drutu i puszczamy przez nią prąd. W jednym boku ramki prąd płynie w jedną stronę, w przeciwległym boku w drugą — bo obiega ramkę dookoła.
5
Przeciwne prądy w dwóch bokach ramki dają przeciwne siły — ramka się obraca
Skoro kierunki prądu są przeciwne, to i siły są przeciwne: jeden bok ramki jest wypychany w górę, drugi w dół. Taka para sił obraca ramkę. Na tym polega działanie silnika elektrycznego, o którym będzie osobna lekcja.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Prosty przewodnik ułożono dokładnie równolegle do linii pola magnetycznego, czyli prąd płynie wzdłuż nich. Puszczono przez niego prąd o natężeniu $2\ A$ . Ile niutonów wynosi siła elektrodynamiczna działająca na ten przewodnik?

Ściąga do zapamiętania

Jak pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem i jak wyznaczyć kierunek tej siły?

$F = B \cdot I \cdot l$ — siła elektrodynamiczna dla przewodnika ustawionego prostopadle do linii pola. To odwrotność odkrycia Oersteda: prąd wytwarza pole, a pole działa siłą na prąd.
• Rośnie wraz z natężeniem $I$ , długością $l$ odcinka znajdującego się w polu i indukcją magnetyczną $B$ (jednostka tesla, $\text{T}$ ).
• Pułapka: siła jest prostopadła jednocześnie do przewodnika i do linii pola — nigdy nie działa wzdłuż prądu ani wzdłuż pola.
• Gdy przewodnik jest równoległy do linii pola, siła wynosi zero.
• Reguła lewej dłoni: linie pola wbijają się we wnętrze dłoni, cztery wyprostowane palce wskazują kierunek prądu, a odchylony kciuk pokazuje kierunek siły.
• Odwrócenie prądu albo zamiana biegunów magnesu odwraca zwrot siły. Na tej zasadzie działa głośnik i silnik elektryczny.

Sprawdź się!

Jaki kierunek ma siła, którą pole magnetyczne działa na przewodnik z prądem?

Stosujesz regułę lewej dłoni. Co pokazuje odchylony kciuk?

Przewodnik ułożono równolegle do linii pola magnetycznego i włączono w nim duży prąd. Jaka siła elektrodynamiczna na niego działa?

Przewodnik w polu magnesu odchylał się w lewo. Zamieniono bieguny magnesu miejscami, nie zmieniając kierunku prądu. Co się stanie?

Dlaczego w każdym głośniku znajduje się silny magnes trwały?

Następny temat

Silnik elektryczny na prąd stały