Magnetyzm - magnesy, elektromagnes i silnik - Spotkania z fizyką 8

1.Bieguny magnesu

Każdy magnes ma dwa bieguny: N i S. Magnesy zwrócone do siebie biegunami jednoimiennymi (N i N albo S i S) odpychają się, a zwrócone biegunami różnoimiennymi (N i S) - przyciągają się. W Polsce biegun N oznacza się zwykle kolorem niebieskim, a biegun S - czerwonym.

2.Igła magnetyczna i kompas

Igła magnetyczna to magnes w kształcie dwustronnej wskazówki - najważniejsza część kompasu. Swobodnie obracająca się igła ustawia się tak, że jej biegun N wskazuje geograficzny kierunek północny, a biegun S - południowy.

3.Igła magnetyczna obok magnesu (doświadczenie)

Igła kompasu przesuwanego wzdłuż magnesu sztabkowego obraca się. Gdy kompas leży obok środka magnesu, bieguny igły są zwrócone przeciwnie do biegunów magnesu: biegun N igły w stronę bieguna S magnesu. Igły rozstawione dookoła magnesu układają się wzdłuż linii, które tworzą pętle.

4.Ziemia jako magnes

Ziemia zachowuje się tak, jak gdyby w jej wnętrzu tkwił olbrzymi magnes zwrócony końcem N w stronę południowego bieguna geograficznego, a końcem S - w stronę północnego. Dlatego biegun N igły kompasu wskazuje północ. Oś oddziaływania magnetycznego Ziemi nie pokrywa się z osią jej obrotu.

5.Ferromagnetyki

Substancje o silnych właściwościach magnetycznych, np. żelazo (także w stopach, m.in. w stali), kobalt, nikiel i ich stopy. Magnes przyciąga je nawet wtedy, gdy nie są namagnesowane. Ferromagnetykami nie są np. miedź i aluminium.

6.Domeny magnetyczne w ferromagnetyku

Bardzo małe obszary namagnesowania wewnątrz ferromagnetyku, które zachowują się jak małe magnesy. W nienamagnesowanym ferromagnetyku są ułożone chaotycznie, więc ich działanie wzajemnie się znosi.

7.Namagnesowanie

Uporządkowanie domen magnetycznych w ferromagnetyku. Można je uzyskać, przesuwając jednym biegunem magnesu wzdłuż sztabki ferromagnetyku: biegun magnesu przyciąga bieguny domen, które ustawiają się w jedną stronę, i sztabka staje się magnesem.

8.Magnes trwały (namagnesowany ferromagnetyk)

Ferromagnetyk, w którym domeny magnetyczne zostały uporządkowane, np. magnes sztabkowy albo igła kompasu. Działa bez zasilania prądem. Magnesy trwałe wykonuje się ze stali twardej, którą trudno namagnesować i rozmagnesować.

9.Dlaczego magnes przyciąga nienamagnesowane żelazo?

Gdy zbliżymy magnes do ferromagnetyku, jego domeny magnetyczne układają się w uporządkowany sposób i ferromagnetyk sam staje się magnesem zwróconym do magnesu biegunem różnoimiennym. Dlatego magnes i nienamagnesowany kawałek żelaza przyciągają się wzajemnie.

10.Wzmacnianie oddziaływania przez ferromagnetyk

Stalowy gwóźdź przyłożony do magnesu sam się magnesuje i przyciąga szpilki z odległości, z której sam magnes ich nie przyciąga - ferromagnetyk wzmacnia oddziaływanie magnetyczne. Podobnie stalowa igła potarta magnesem staje się igłą magnetyczną: położona na wodzie ustawia się tak jak igła kompasu.

11.Doświadczenie Oersteda

Doświadczenie duńskiego fizyka Hansa Christiana Oersteda z 1820 roku. Nad igłą magnetyczną układa się przewód wzdłuż linii północ-południe. Po zamknięciu obwodu igła się wychyla, po wyłączeniu prądu wraca do pierwotnego położenia, a po zmianie kierunku prądu wychyla się w przeciwną stronę. Wniosek: przewodnik z prądem oddziałuje magnetycznie.

12.Zwojnica z prądem

Zwojnica, przez którą płynie prąd, zachowuje się jak magnes: ma bieguny N i S, więc magnes trwały ją przyciąga albo odpycha. Ułożenie jej biegunów zależy od kierunku przepływu prądu. Gdy prąd nie płynie, zwojnica nie ma właściwości magnetycznych.

13.Przewodnik kołowy

Pojedynczy zwój przewodu. Gdy płynie w nim prąd, ma bieguny magnetyczne, podobnie jak magnes sztabkowy. Dwa przewodniki kołowe na wspólnej osi przyciągają się, gdy prąd płynie w nich w tę samą stronę, a odpychają się, gdy płynie w przeciwnych kierunkach.

14.Oddziaływanie równoległych przewodników z prądem

Dwa równolegle ułożone przewodniki prostoliniowe przyciągają się, gdy prąd płynie w nich w tę samą stronę, a odpychają się, gdy prąd płynie w przeciwnych kierunkach.

15.Metoda prawej dłoni

Sposób wyznaczania biegunów zwojnicy z prądem: jeśli palce prawej dłoni ułożysz tak, żeby wskazywały kierunek przepływu prądu w zwojach, to odgięty kciuk wskaże biegun N zwojnicy.

16.Metoda śruby prawoskrętnej

Sposób wyznaczania biegunów przewodnika kołowego: śruba prawoskrętna (korkociąg) wkręcana w środek przewodnika zgodnie z kierunkiem płynącego w nim prądu wskazuje czubkiem biegun N, a po stronie łepka jest biegun S.

17.Jak rozpoznać biegun przewodnika kołowego po kierunku prądu?

Patrzymy na przewodnik od czoła. Jeśli prąd płynie zgodnie z ruchem wskazówek zegara (strzałki układają się w kształt litery S), przed nami jest biegun S. Jeśli płynie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (litera N) - biegun N.

18.Ułożenie opiłków wokół przewodnika z prądem

Przez środek tekturki przechodzi pionowy przewodnik z prądem. Igła kompasu przesuwana dookoła niego i rozsypane żelazne opiłki układają się wzdłuż współśrodkowych okręgów wokół przewodnika. Dzięki temu, że przewód z prądem oddziałuje magnetycznie, można wykrywać przewody ukryte w ścianach.

19.Elektromagnes

Urządzenie złożone ze zwojnicy i umieszczonego w niej rdzenia z ferromagnetyku, zwykle ze stali miękkiej. Działa jak magnes, ale tylko wtedy, gdy przez zwojnicę płynie prąd - po przerwaniu obwodu przyciągane przedmioty odpadają.

20.Rdzeń elektromagnesu

Rdzeń z ferromagnetyku (np. stalowy gwóźdź) wzmacnia oddziaływanie zwojnicy: jego domeny magnetyczne porządkują się zgodnie z biegunowością zwojnicy i działają razem z nią. Sama zwojnica bez rdzenia przyciąga drobne stalowe przedmioty bardzo słabo albo wcale.

21.Jak wzmocnić elektromagnes?

Należy zwiększyć liczbę zwojów nawiniętych na rdzeń albo natężenie prądu płynącego przez zwojnicę (np. dołączyć szeregowo drugą baterię). Rdzeń musi być z ferromagnetyku - rdzeń z aluminium nie wzmacnia działania zwojnicy.

22.Stal miękka i twarda

Stal miękka (żelazo z domieszką krzemu) łatwo się magnesuje i łatwo rozmagnesowuje - wykonuje się z niej rdzenie elektromagnesów. Stal twarda (żelazo z domieszką niklu, kobaltu i glinu) trudno namagnesować i rozmagnesować - wykonuje się z niej magnesy trwałe.

23.Dzwonek elektromagnetyczny

Po zamknięciu obwodu prąd płynie przez elektromagnes, który przyciąga stalową płytkę z młoteczkiem - młoteczek uderza w czaszę. Przyciągnięcie płytki przerywa obwód, elektromagnes przestaje przyciągać i płytka wraca, znów zamykając obwód. Cykl powtarza się aż do wyłączenia dzwonka.

24.Zamek elektryczny

Zamek stosowany np. w drzwiach otwieranych domofonem. Po zamknięciu obwodu elektromagnes przyciąga stalową zasuwę i drzwi można otworzyć. Po zwolnieniu przycisku prąd przestaje płynąć, a sprężyny przesuwają zasuwę z powrotem do pozycji blokującej drzwi.

25.Zastosowania elektromagnesów

Dźwigi elektromagnetyczne (przenoszenie złomu żelaznego w hutach i blach stalowych w stoczniach), medycyna (usuwanie żelaznych opiłków z oka i żelaznych przedmiotów z żołądka, rezonans magnetyczny), badania naukowe (akceleratory - zakrzywianie toru cząstek), a także dzwonki i zamki elektryczne.

26.Czym elektromagnes różni się od magnesu trwałego?

Elektromagnes działa tylko wtedy, gdy płynie prąd: można go włączać i wyłączać, a jego siłę zmieniać natężeniem prądu lub liczbą zwojów. Po zmianie kierunku prądu jego bieguny zamieniają się miejscami. Magnes trwały działa cały czas i nie wymaga zasilania.

27.Silnik elektryczny

Urządzenie przetwarzające energię elektryczną na energię mechaniczną. Działa dzięki oddziaływaniu magnetycznemu - wzajemnemu oddziaływaniu magnesów z elektromagnesami (lub elektromagnesów z elektromagnesami). Ma go np. pralka, odkurzacz, wiertarka czy samochód zdalnie sterowany.

28.Model silnika elektrycznego (doświadczenie)

Zwojnica z prądem umieszczona między ramionami magnesu podkowiastego obraca się i po kilku wahnięciach zatrzymuje, ustawiając się biegunami naprzeciw różnoimiennych biegunów magnesu. Jej ruch pokazuje zamianę energii elektrycznej na mechaniczną. Aby obrót był ciągły, trzeba odwracać bieguny zwojnicy, zmieniając kierunek prądu.

29.Siła magnetyczna (elektrodynamiczna)

Siła działająca na przewodnik z prądem umieszczony w pobliżu magnesu lub innego przewodnika z prądem. Jest tym większa, im większe natężenie prądu, dłuższy przewodnik i silniejszy magnes. Odwrócenie magnesu lub kierunku prądu zmienia jej zwrot; kierunek i zwrot tej siły wyznacza reguła lewej dłoni.

30.Cechy magnesów ferrytowych

Ciemnoszare krążki lub płytki. Są tanie i odporne na korozję (nie potrzebują obudowy), zachowują właściwości magnetyczne do ok. $120^{\circ}\mathrm{C}$. Stosuje się je w zatrzaskach szafek i torebek, magnesach na lodówkę i tablicach magnetycznych.

31.Cechy magnesów neodymowych

Bardzo silne magnesy - mogą utrzymać przedmiot o masie nawet 20 razy większej niż one same. Są kruche i mało odporne na korozję, dlatego pokrywa się je warstwą ochronną (mają srebrzystą, błyszczącą powierzchnię). Tracą właściwości magnetyczne w niższej temperaturze niż ferrytowe i są od nich znacznie droższe.

32.Cechy magnesów alnico

Magnesy ze stopu glinu (Al), niklu (Ni) i kobaltu (Co) - stąd ich nazwa. Zachowują właściwości magnetyczne do $500^{\circ}\mathrm{C}$, więc pracują w bardzo wysokich temperaturach. Są nieco słabsze od neodymowych, silniejsze od ferrytowych, ale droższe od neodymowych.

33.Magnetyczne nośniki danych

W dyskach twardych komputerów dane zapisuje się w cienkiej warstwie ferromagnetyku (kobaltu lub ferrytu) na talerzach ze stopu aluminium, a dawniej zapisywano je na taśmach magnetycznych kaset wideo i magnetofonowych. Silny magnes może uszkodzić zapis na takich nośnikach, ale nie na płytach CD i DVD, bo zapis na nich jest optyczny.