Indukcja elektromagnetyczna i prądnica
Fizyka
Zestaw wyjaśnia, na czym jakościowo polega indukcja elektromagnetyczna i kiedy w obwodzie pojawia się prąd indukowany. Uporządkujesz też zasadę działania prądnicy, rolę ruchu względnego magnesu i zwojnicy oraz przemiany energii zachodzące w generatorze.
1.Indukcja elektromagnetyczna
Zjawisko powstawania napięcia i często prądu elektrycznego w obwodzie wtedy, gdy zmieniają się warunki pola magnetycznego obejmującego przewodnik. W szkolnym ujęciu najczęściej dzieje się to przy względnym ruchu magnesu i zwojnicy albo przy zmianie natężenia prądu w elektromagnesie.
2.Prąd indukowany
Prąd elektryczny pojawiający się w przewodniku lub obwodzie wskutek indukcji elektromagnetycznej. Nie płynie stale sam z siebie, lecz pojawia się wtedy, gdy zachodzi zmiana związana z polem magnetycznym.
3.Napięcie indukowane
Różnica potencjałów powstająca w obwodzie na skutek indukcji elektromagnetycznej. Jeśli obwód jest zamknięty, napięcie to może wywołać przepływ prądu indukowanego.
4.Zwojnica
Przewodnik zwinięty w wiele zwojów. W doświadczeniach z indukcją elektromagnetyczną zwojnica ułatwia obserwację zjawiska, bo zmiany pola magnetycznego obejmują większą liczbę zwojów niż w pojedynczym przewodniku.
5.Magnes trwały
Ciało wytwarzające stałe pole magnetyczne bez doprowadzania prądu. Zbliżanie lub oddalanie magnesu trwałego względem zwojnicy może wywoływać indukcję elektromagnetyczną.
6.Elektromagnes
Magnes wytwarzany przez przepływ prądu w zwojnicy. Gdy zmienia się natężenie prądu w elektromagnesie, zmienia się też jego pole magnetyczne, co może wywołać indukcję w pobliskim obwodzie.
7.Względny ruch magnesu i zwojnicy
Zmiana położenia magnesu względem zwojnicy lub zwojnicy względem magnesu. To właśnie taki ruch powoduje zmianę pola magnetycznego działającego na obwód i może wywołać napięcie indukowane.
8.Galwanometr
Czuły przyrząd do wykrywania małych prądów elektrycznych i ich kierunku. W doświadczeniach z indukcją wychylenie wskazówki pokazuje, że w obwodzie pojawił się prąd indukowany.
9.Prądnica
Urządzenie zamieniające energię mechaniczną na energię elektryczną dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Działa wtedy, gdy część obwodu porusza się w polu magnetycznym lub gdy zmienia się pole obejmujące zwojnicę.
10.Wirnik
Ruchoma część prądnicy, która obraca się podczas pracy urządzenia. Jej ruch powoduje zmiany pola magnetycznego względem uzwojenia, a więc umożliwia indukcję elektromagnetyczną.
11.Stojan
Nieruchoma część prądnicy. W zależności od konstrukcji znajduje się w niej uzwojenie lub element wytwarzający pole magnetyczne, względem którego porusza się druga część urządzenia.
12.Prąd przemienny
Prąd, którego kierunek i wartość zmieniają się w czasie. W typowej prądnicy podczas obrotu zwojnicy lub magnesu warunki indukcji zmieniają się cyklicznie, dlatego otrzymuje się zwykle prąd przemienny.
13.Generator
Ogólna nazwa urządzenia wytwarzającego energię elektryczną. Prądnica jest generatorem wykorzystującym zjawisko indukcji elektromagnetycznej.
14.Przemiana energii w prądnicy
W prądnicy energia mechaniczna ruchu obrotowego zostaje przekształcona w energię elektryczną. Źródłem energii mechanicznej może być np. turbina wodna, parowa lub wiatr.
Notatka
Istota zjawiska
Indukcja elektromagnetyczna to zjawisko, w którym w przewodniku lub obwodzie pojawia się napięcie indukowane, a po zamknięciu obwodu także prąd indukowany. Najważniejsza idea jest prosta: aby zjawisko zaszło, musi następować zmiana pola magnetycznego obejmującego przewodnik. Samo istnienie pola magnetycznego nie wystarcza.
W liceum omawia się to jakościowo, czyli bez skomplikowanych obliczeń. Trzeba rozumieć, kiedy zjawisko zachodzi, od czego zależy i jak je wykryć w doświadczeniu. Typowy układ to magnes trwały, zwojnica oraz czuły miernik prądu.
Ważne
Nieruchomy magnes przy nieruchomej zwojnicy nie wywołuje prądu indukowanego, jeśli warunki pola magnetycznego się nie zmieniają.
Kiedy pojawia się prąd indukowany
Najczęściej obserwuje się indukcję wtedy, gdy występuje względny ruch magnesu i zwojnicy. Można wsuwać magnes do środka zwojnicy, wysuwać go, zbliżać zwojnicę do magnesu albo oddalać ją od niego. We wszystkich tych przypadkach istotna jest nie sama obecność magnesu, lecz zmiana warunków pola magnetycznego działającego na obwód.
Podobny efekt zachodzi, gdy zamiast magnesu trwałego używa się elektromagnesu. Jeśli zmienia się natężenie prądu płynącego w elektromagnesie, zmienia się też jego pole magnetyczne. Taka zmiana może spowodować pojawienie się napięcia i prądu w drugiej, pobliskiej zwojnicy.
W doświadczeniach do wykrywania zjawiska stosuje się galwanometr. Gdy wskazówka się wychyla, wiadomo, że w obwodzie pojawił się prąd. Gdy magnes porusza się w przeciwną stronę, wychylenie zwykle zmienia kierunek, co pokazuje zmianę kierunku prądu indukowanego.
Przykład
Gdy wsuwasz magnes do zwojnicy, galwanometr się wychyla; gdy zatrzymasz magnes, wskazówka wraca w pobliże zera; gdy wyciągasz magnes, wychylenie jest przeciwne.
Od doświadczenia do generatora
To samo zjawisko wykorzystuje prądnica, czyli generator energii elektrycznej. Jej działanie polega na tym, że ruch mechaniczny powoduje zmianę pola magnetycznego względem uzwojenia albo ruch uzwojenia w polu magnetycznym. W wyniku tego w obwodzie powstaje napięcie indukowane.
W prądnicy występują zwykle dwie ważne części: wirnik i stojan. Wirnik to część ruchoma, która się obraca. Stojan to część nieruchoma. W zależności od konstrukcji jedna z tych części zawiera uzwojenie, a druga wytwarza pole magnetyczne. Najważniejsze jest to, że podczas pracy dochodzi do ciągłej zmiany wzajemnego położenia tych elementów.
Jeżeli ruch obrotowy trwa, zjawisko indukcji zachodzi stale. Dzięki temu prądnica może zasilać odbiorniki energii elektrycznej.
Przemiany energii w prądnicy
W prądnicy zachodzi przemiana energii mechanicznej w energię elektryczną. Energia mechaniczna może pochodzić z różnych źródeł: z przepływu wody, ruchu wiatru, pary wodnej czy silnika spalinowego. Sam magnes nie „wytwarza” energii — jego rola polega na uczestniczeniu w zjawisku indukcji.
To bardzo ważne rozróżnienie na maturze i sprawdzianach. Źródłem energii elektrycznej w elektrowni wodnej nie jest woda bezpośrednio w przewodach, lecz ruch turbiny napędzającej generator. Podobnie w elektrowni wiatrowej wiatr obraca łopaty, a te napędzają prądnicę.
Zapamiętaj
Prądnica nie tworzy energii z niczego — zamienia energię mechaniczną dostarczoną z zewnątrz na energię elektryczną.
Dlaczego wytwarza się prąd przemienny
W typowej prądnicy warunki indukcji zmieniają się cyklicznie podczas obrotu. Oznacza to, że wartość napięcia i kierunek przepływu prądu zmieniają się w czasie. Taki prąd nazywamy prądem przemiennym.
W szkolnym ujęciu nie trzeba obliczać jego parametrów, ale trzeba rozumieć, skąd się bierze. Gdy obracająca się część prądnicy ustawia się kolejno w różnych położeniach względem pola magnetycznego, raz sprzyja przepływowi prądu w jedną stronę, a po dalszym obrocie — w przeciwną.
To właśnie dlatego generatory w elektrowniach produkują zwykle prąd przemienny, który następnie jest przesyłany i wykorzystywany w sieci energetycznej.
Najczęstsze błędy i zastosowania
Częsty błąd polega na stwierdzeniu, że do indukcji wystarczy sam magnes. To nieprawda — potrzebna jest zmiana warunków pola magnetycznego. Innym błędem jest mylenie prądnicy z silnikiem elektrycznym. Silnik zamienia energię elektryczną na mechaniczną, a prądnica odwrotnie.
W praktyce zjawisko indukcji elektromagnetycznej ma ogromne znaczenie techniczne. Występuje w generatorach elektrowni, w prądnicach rowerowych, a także jest podstawą działania wielu urządzeń związanych z wytwarzaniem i przesyłem energii elektrycznej.
Na poziomie liceum warto umieć:
- wskazać warunek zajścia indukcji elektromagnetycznej,
- opisać doświadczenie z magnesem i zwojnicą,
- wyjaśnić rolę galwanometru,
- opisać zasadę działania prądnicy,
- podać przemianę energii zachodzącą w generatorze.
Quizy w tym zestawie
16 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu