Siła elektrodynamiczna

U podstaw działania silnika elektrycznego leży zjawisko powstawania siły elektrodynamicznej.

W zależności od kierunku prądu płynącego w przewodniku jest on wypychany lub wciągany do wnętrza pola wytwarzanego przez magnes. Siłą odpowiedzialną za ruch przewodnika jest siła elektrodynamiczna.

W celu lepszego zrozumienia jak  to działa zapraszam do poniższego apletu.

Wartość siły elektrodynamicznej jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w przewodniku i do długości odcinka przewodnika znajdującego się w polu magnetycznym.

Indukcja elektromagnetyczna

Jeżeli obok cewki będziemy przesuwać magnes stały, w uzwojeniach zacznie płynąć prąd. Natężenie tego prądu będzie zależeć od szybkości przesuwania magnesu, natomiast kierunek prądu będzie zmieniał się wraz ze zmianą kierunku ruchu magnesu. Na magnes musi wobec tego działać siła zwrócona przeciwnie do kierunku jego ruchu. Źródłem tej siły jest pole magnetyczne prądu indukcyjnego, który powstał w uzwojeniach cewki. A więc w gruncie rzeczy cewka staje się elektromagnesem, którego pole magnetyczne przeciwstawia się polu magnetycznemu pochodzącemu od magnesu stałego, czyli od strony wsuwanego magnesu w cewce zostaje wytworzony taki sam biegun jak ten, który wsuwamy. Jeżeli zaczniemy wysuwać magnes z powrotem, prąd w uzwojeniach cewki zmieni kierunek, co spowoduje powstanie pola magnetycznego, które będzie próbowało powstrzymać ruch magnesu (tym razem powstanie elektromagnes, który będzie przyciągał magnes stały). Możemy, więc dojść do wniosku, że prąd indukcyjny każdorazowo wytwarza pole magnetyczne, które próbuje przeciwstawić się ruchowi magnesu, a więc każdorazowo musimy pokonywać to pole wykonując pracę, która zamieniana jest na prąd indukcyjny płynący w uzwojeniach cewki.

Zjawisko powstawania prądu indukcyjnego zilustruje doświadczenie zaprezentowane w poniższym aplecie

Prąd indukcyjny płynie pod wpływem napięcia które indukuje się w cewce (nazywanego SEM - siłą elektromotoryczną). Reasumując: zmiana oddziaływującego na cewkę pola magnetycznego w czasie spowodowała wyindukowanie się w cewce napięcia. Napięcie w cewce wyindukuje się przy każdej zmianie pola magnetycznego, które na nią oddziaływuje, również wtedy, gdy to uzwojenia cewki będą się przesuwały względem nieruchomego pola magnetycznego.

Można założyć, że uzwojenie cewki składa się z jednego zwoju (w postaci odcinka przewodu). Jeżeli przewód ten porusza się w polu magnetycznym (np. polu magnesu stałego), to działa na niego siła, która powoduje, że elektrony poruszają się w kierunku jednego z końców tego przewodu. W wyniku tego przemieszczenia elektronów na jednym z końców powstaje nadmiar elektronów, zaś na przeciwległym końcu ich niedobór. A więc między końcami przewodu powstanie różnica potencjałów, czyli wyindukuje się napięcie (SEM).

Dla bardziej zaawansowanych

Zmiany strumienia magnetycznego z cewką możemy uzyskać w dwojaki sposób, przez prąd zmienny płynący w uzwojeniu, lub przez ruch uzwojenia względem stałego lub zmiennego pola magnetycznego.  

Jeżeli skojarzony z cewką strumień magnetyczny zmienia się w czasie, w cewce tej indukuje się napięcie (SEM) którego wartość będzie zależała od szybkości zmian tego strumienia w czasie.

Zgodnie z regułą Lenza, znak tego napięcia będzie zawsze taki, aby prąd indukcyjny który popłynie pod jego wpływem tworzył strumień magnetyczny, który będzie się przeciwstawiał strumieniowi pierwotnemu.

Ze względu na sposób powstawania siły elektromotorycznej możemy podzielić ją na dwa rodzaje. Jeżeli powstaje ona w wyniku umieszczenia zwojów w zmiennym polu magnetycznym, a uzwojenie nie wykonuje żadnego ruchu względem tego pola, wyindukowane w ten sposób napięcie nazywane jest napięciem transformacji. Natomiast, jeżeli napięcie indukuje się w wyniku ruchu uzwojeń w polu magnetycznym, nazywane jest napięciem rotacji. Nazwy te wzięły się od sposobu działania maszyn, w których wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej: transformatorów (napięcie transformacji) i silników elektrycznych (napięcie rotacji).

W ogólnym przypadku, gdy uzwojenie wykonuje ruch w zmiennym polu magnetycznym, siła elektromotoryczna składa się z dwóch członów: napięcia transformacji i napięcia rotacji.

urb@n © 2006