Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Asi víte, že elektromotor je nedílnou součástí mnoha spotřebičů, jako jsou: vysavač, pračka, myčka, vrtačka a tak dále. Nebudeme zde zabíhat do podrobností o konstrukci a provozu elektromotoru, ale podíváme se na to, díky čemu plní svou práci. No a motor se otáčí díky síle, kterou magnetické pole působí na vodič s proudem. Tato síla se nazývá elektrodynamická síla (také často nazývaná Ampérova síla).
Pokud si obvod s elektrickým proudem představíme jako rám upevněný na ose a umístíme tento rám do magnetického pole s nasměrovanými čarami, jako na obr.1 se rám otočí. Tato rotace, způsobená přítomností magnetického pole, je základem pro činnost elektromotoru! Více o elektrodynamické síle se můžete dozvědět v tomto článku.
Rýže. 1. Na rám působí elektrickým proudem umístěným v magnetickém poli tzv. elektrodynamická síla, která způsobuje otáčení rámu v tomto poli.
Pokud je vodič s konstantním elektrickým proudem I umístěn v rovnoměrném magnetickém poli s indukčním vektorem B, pak na část vodiče délky L bude působit elektrodynamická síla: Fed=jáLBsinα ,
kde α je úhel mezi vodičem a siločárami magnetického pole (viz obrázek 2).
Rýže. 2. Změna úhlu mezi vodičem s proudem a vektorem magnetické indukce ovlivňuje velikost elektrodynamické síly
Z toho vyplývá, že velikost síly je přímo úměrná velikosti proudu I, délce vodiče L a velikosti magnetické indukce B, ale také závisí na velikosti sinusu úhel mezi vodičem a siločárami magnetického pole.Když je vodič s proudem rovnoběžný s čarami magnetického pole, tzn. když α=0°nebo 180°, pak není aplikována žádná síla, protože hřích 0°=hřích 180°=0. Síla bude mít zase maximální hodnotu, když je vodič kolmý na siločáru, tzn. když α=90°nebo 270°, protože hřích 90°=hřích 270 °=1.
Směr elektrodynamické síly lze určit pomocí pravidla levé ruky, jak je znázorněno na obr. 3:
WikipediePokud položíte dlaň levé ruky tak, aby čáry indukce magnetického pole vstupovaly do vnitřní strany dlaně, kolmo k ní, a čtyři prsty směřovaly podél proudu, pak palec odložíme stranou o 90° udává směr síly působící z magnetického pole na vodič s proudem.
Rýže. 3. Pravidlo levé ruky
Nyní se pokusíme získané znalosti aplikovat na příkladu houpačky, která je na fotografii níže (obr. 3.).
Připojení baterie ke svorkám viditelným nad bílým válcovým držákem způsobí, že houpačkou bude protékat elektrický proud. Elektrodynamická síla z pole vytvořeného podkovovým magnetem bude působit na vodorovnou tyč houpačky. Podívejte se pozorně na situaci znázorněnou na obr. 3. Uhodnete, jakým směrem se bude houpačka houpat? A jaký bude úhel tohoto vychýlení?
Odpověď na první otázku - o směru elektrodynamické síly - naleznete na Obr. 4. Abychom odpověděli na druhou otázku, trochu zjednodušíme náš systém zavedením dalších předpokladů.
Předpokládejme, že:
- Svislé části vodítka mají malou hmotnost a celá hmota houpačky je soustředěna v její vodorovné příčce.
- Magnetické pole je rovnoměrné a točna zůstává v tomto poli neustále.
Rýže. 3. Hliníková houpačka, která může být poháněna elektrodynamickou silou
Rýže. 4. Schematický nákres houpačky znázorněné na Obr. 3. s vyznačeným směrem proudu a vektory magnetické indukce a elektrodynamické síly. Všimněte si, že indukční vektor tvoří pravý úhel se směrem elektrického proudu.
Když se příčka otáčí (viz obrázek 5), působí na ni dvě síly: horizontálně orientovaná gravitační síla Fga horizontální elektrodynamická síla Fed. Úhel β, o který se bude houpání odchylovat od svislice, závisí na poměru hodnot těchto dvou sil. Jeho tečna je tan β=Fed/ Fg=( BIL ) / ( mg ),
kde I je elektrický proud protékající houpačkou, B je indukční vektor magnetického pole vytvořeného magnetem, m a L jsou hmotnost a délka příčky.
Rýže. 5. Síly působící na kyvnou tyč - boční pohled
Působení magnetického pole na dva paralelní vodiče s proudem.
Na obr. 6 ukazuje dva přímočaré vodiče s proudem uspořádané paralelně ve vakuu ve vzdálenosti d od sebe.
Vodič a vytváří ve svém okolí magnetické pole ve vzdálenosti d, což je: Ba=( μ0Ia) / ( 2πd ), kde μ0je magnetická konstanta (neboli permeabilita vakua) rovna 4π 10− 7H/m.
V tomto poli je vodič b, kterým protéká proud Ib. Síla Fb=IbLBa=( μ0 LIaIb) / ( 2πd ).
Směr síly Fb je znázorněn na obrázku. Tuto úvahu lze samozřejmě "otočit" a vypočítat sílu působící na vodič a v magnetickém poli vytvořeném vodičem b.Výsledek výpočtu se shoduje s tím, co vyplývá přímo z Newtonova třetího zákona dynamiky.
Rýže. 6. Vodiče s proudem interagujícím přes magnetické pole
Vidíme, že dva paralelní vodiče s proudy interagují prostřednictvím magnetického pole. Vodiče, ve kterých proudy tečou stejnými směry, se navzájem přitahují a ty, ve kterých proudy tečou opačnými směry, se odpuzují.
K určení síly proudu byla použita interakce paralelních vodičů. Předpokládejme, že d=1 metr a ve vodičích tečou stejné proudy, tedy Ia=Ib=I. Pokud zvolíme proud takovou sílu, aby přitažlivá síla vodičů byla 2-10-7 N na 1 m jejich délky, pak v tomto případě řekneme, že proudová síla v vodiče je 1 ampér.