Pole magnetyczne przewodnika i zwojnicy

Pole magnetyczne to obszar, w którym działają oddziaływania magnetyczne. W szkolnej fizyce ważne jest, że pole magnetyczne może być wytwarzane nie tylko przez magnes trwały, ale także przez przewodnik z prądem. Oznacza to, że przepływ ładunków elektrycznych jest źródłem magnetyzmu.

Do opisu pola używa się linii pola magnetycznego. Są to linie umowne: pokazują kierunek ustawienia igły magnetycznej w danym punkcie. Im większe zagęszczenie linii, tym silniejsze pole. Dzięki temu można porównywać różne układy bez wchodzenia w szczegóły matematyczne.

W doświadczeniach obecność pola wokół przewodnika można wykazać za pomocą kompasu albo opiłków żelaza. Igła magnetyczna odchyla się, gdy w przewodniku zaczyna płynąć prąd, co jest prostym dowodem związku między elektrycznością a magnetyzmem.

Jeżeli przez długi, prostoliniowy przewodnik płynie prąd, to wokół niego powstaje pole magnetyczne. Linie tego pola mają kształt współśrodkowych okręgów otaczających przewodnik. Nie biegną więc wzdłuż drutu, lecz „okrążają” go.

Zwrot linii pola wyznacza reguła prawej dłoni. Jeśli kciuk prawej dłoni ustawimy zgodnie z kierunkiem prądu, to zgięte palce pokazują zwrot linii pola magnetycznego. Jest to podstawowa zasada, którą trzeba umieć zastosować w zadaniach jakościowych i na rysunkach.

Po zmianie kierunku przepływu prądu zmienia się też zwrot pola magnetycznego. Sam kształt linii pozostaje taki sam, ale „okrążanie” przewodnika odbywa się w przeciwną stronę. To częsty motyw pytań maturalnych: trzeba rozpoznać, jak zachowa się kompas po odwróceniu biegunów źródła zasilania.

Zwojnica to przewodnik zwinięty w wiele zwojów. Gdy płynie przez nią prąd, pola magnetyczne pochodzące od poszczególnych zwojów nakładają się na siebie. W efekcie powstaje układ pola podobny do tego, jaki ma magnes sztabkowy.

Zwojnica ma więc dwa bieguny magnetyczne: północny i południowy. To, który koniec jest którym biegunem, zależy od kierunku przepływu prądu. Gdy odwrócimy kierunek prądu, bieguny zwojnicy zamienią się miejscami.

Wewnątrz długiej zwojnicy linie pola są prawie równoległe, a pole jest w przybliżeniu jednorodne. Na zewnątrz pole jest słabsze i mniej uporządkowane. Tę różnicę łatwo zauważyć na rysunkach lub w doświadczeniu z opiłkami żelaza.

Z punktu widzenia zastosowań zwojnica jest bardzo ważna, bo pozwala uzyskać silniejsze i bardziej uporządkowane pole niż pojedynczy prostoliniowy przewodnik.

Jeżeli do wnętrza zwojnicy włożymy rdzeń ferromagnetyczny, np. żelazny, to pole magnetyczne zwojnicy wyraźnie się wzmacnia. Taki układ nazywamy elektromagnesem. Działa on tylko wtedy, gdy płynie prąd, co odróżnia go od magnesu trwałego.

Największą zaletą elektromagnesu jest możliwość sterowania jego działaniem. Można go włączać i wyłączać, a przez zmianę kierunku prądu można zmieniać położenie biegunów. To sprawia, że elektromagnesy znajdują szerokie zastosowanie w technice.

Przykłady zastosowań to dźwigi do przenoszenia złomu, dzwonki elektryczne, przekaźniki czy niektóre zamki elektromagnetyczne. We wszystkich tych urządzeniach istotne jest to, że pole pojawia się tylko w czasie przepływu prądu.

W warunkach szkolnych pole magnetyczne bada się najczęściej na dwa sposoby. Pierwszy wykorzystuje igłę magnetyczną lub kompas, który ustawia się zgodnie z kierunkiem pola. Drugi polega na rozsypaniu opiłków żelaza, które układają się wzdłuż linii pola, ujawniając jego kształt.

Dzięki tym doświadczeniom można porównać pole wokół prostego przewodnika i wokół zwojnicy. W pobliżu pojedynczego przewodnika opiłki tworzą układ okrężny, natomiast przy zwojnicy widać obraz zbliżony do pola magnesu sztabkowego.

W interpretacji doświadczeń trzeba pamiętać, że linie pola są tylko modelem. Nie są materialnymi nićmi, lecz sposobem graficznego przedstawienia zjawiska. To ważne, bo uczniowie czasem traktują je dosłownie zamiast jako narzędzie opisu.

Na poziomie liceum najważniejsze jest jakościowe rozumienie zjawiska: prąd wytwarza pole, kierunek pola zależy od kierunku prądu, a wiele zwojów daje efekt podobny do magnesu. Trzeba też umieć porównać pole pojedynczego przewodnika z polem zwojnicy.

Częsty błąd polega na myleniu kierunku prądu z kierunkiem linii pola. W prostoliniowym przewodniku prąd płynie wzdłuż drutu, a linie pola biegną wokół niego po okręgach. Innym błędem jest przekonanie, że sam metalowy drut bez prądu musi działać jak magnes.

W zadaniach warto zwracać uwagę na słowa: „zwrot”, „kierunek”, „biegun”, „wewnątrz zwojnicy”, „po odwróceniu prądu”. To one najczęściej decydują o poprawnej odpowiedzi. Dobrze jest też umieć uzasadnić obserwację kompasu lub opiłków żelaza prostym opisem przebiegu linii pola.