Elektromagnetické javy Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Magnetické pole elektrického prúdu (Oerstedov objav) — Dánsky fyzik Hans Christian Ørsted v roku 1820 zistil, že vodič, ktorým preteká elektrický prúd, vychyľuje magnetku kompasu. Dokázal tým, že elektrický prúd vždy vo svojom okolí vytvára magnetické pole. Tento objav prepojil dovtedy oddelené javy — elektrinu a magnetizmus — a stal sa základom celej elektrotechniky.

2. Magnetické indukčné čiary — Magnetické pole znázorňujeme indukčnými čiarami, ktoré ukazujú smer a tvar poľa; mimo magnetu smerujú od severného pólu (N) k južnému (S). Okolo priameho vodiča s prúdom majú tvar sústredných kružníc v rovine kolmej na vodič. Čím sú čiary hustejšie, tým je magnetické pole silnejšie.

3. Magnetické pole priameho vodiča s prúdom — Okolo rovného vodiča, ktorým tečie prúd, vznikajú kruhové magnetické indukčné čiary so stredom vo vodiči. Smer poľa závisí od smeru prúdu — keď prúd zmení smer, otočí sa aj magnetické pole. Veľkosť poľa rastie so zväčšujúcim sa prúdom a klesá so vzdialenosťou od vodiča.

4. Pravidlo pravej ruky — Smer magnetického poľa okolo vodiča určíme pravidlom pravej ruky: ak palec ukazuje smer prúdu, zovreté prsty ukazujú smer indukčných čiar. Toto jednoduché pravidlo umožňuje predpovedať orientáciu magnetického poľa bez výpočtov. Pri cievke palec naopak ukazuje severný pól a prsty smer prúdu v závitoch.

5. Cievka (solenoid) — Cievka je vodič stočený do mnohých závitov, vďaka čomu sa magnetické polia jednotlivých závitov sčítavajú a vytvárajú silné magnetické pole. Magnetické pole cievky s prúdom je veľmi podobné poľu tyčového magnetu — má severný a južný pól. Cievka je preto základom elektromagnetov, elektromotorov aj transformátorov.

6. Faktory ovplyvňujúce silu cievky — Magnetické pole cievky je tým silnejšie, čím väčší prúd ňou preteká, čím viac má závitov a čím sú závity hustejšie navinuté. Veľmi výrazne pole zosilní vloženie železného jadra do cievky. Tieto vlastnosti umožňujú vyrobiť cievku s presne požadovanou silou pre konkrétne použitie.

7. Elektromagnet — Elektromagnet je cievka s jadrom z mäkkého železa, ktorá je magnetom iba vtedy, keď ňou preteká elektrický prúd. Hneď po prerušení prúdu magnetické pole takmer úplne zanikne a jadro stratí magnetické vlastnosti. Práve táto ovládateľnosť — možnosť magnet zapnúť a vypnúť — robí elektromagnet veľmi užitočným v praxi.

8. Mäkké železo ako jadro — V elektromagnetoch sa používa mäkké železo, lebo sa ľahko zmagnetizuje, ale magnetizmus si po vypnutí prúdu neudrží (je dočasným magnetom). Naopak tvrdá oceľ si magnetizmus podrží a používa sa na výrobu trvalých (permanentných) magnetov. Voľba materiálu jadra teda rozhoduje o tom, či bude magnet ovládateľný alebo trvalý.

9. Praktické využitie elektromagnetov — Elektromagnety sa využívajú v elektrických zvončekoch, relé, slúchadlách a reproduktoroch, v elektromotoroch aj v žeriavoch na dvíhanie šrotu a železného materiálu. V priemysle dokážu silné elektromagnety zdvihnúť ťažké kovové predmety a po vypnutí prúdu ich opäť pustiť. Bez elektromagnetov by nefungovala väčšina dnešných elektrických strojov a zariadení.

10. Elektromagnetické relé a zvonček — Relé je spínač ovládaný elektromagnetom, ktorý malým prúdom dokáže zapnúť alebo vypnúť iný, oveľa väčší elektrický obvod. V elektrickom zvončeku elektromagnet rozkmitá kladivko, ktoré opakovane udiera na zvon, pretože pohyb kotvy zároveň prerušuje a obnovuje prúd. Tieto zariadenia ukazujú, ako sa magnetické pôsobenie prúdu mení na užitočný mechanický pohyb.

11. Elektromotor — Elektromotor premieňa elektrickú energiu na mechanický pohyb pomocou síl, ktorými magnetické pole pôsobí na cievku s prúdom. Cievka v magnetickom poli sa otáča a roztáča hriadeľ, čím poháňa mnohé stroje — od práčky cez ventilátor až po elektromobil. Je to jeden z najdôležitejších praktických dôsledkov elektromagnetických javov.

12. Magnetické póly a ich vzájomné pôsobenie — Každý magnet aj cievka s prúdom má severný (N) a južný (S) pól, pričom rovnaké póly sa odpudzujú a rôzne sa priťahujú. Tieto magnetické sily využíva elektromotor na vytvorenie otáčavého pohybu. Pochopenie pólov je kľúčové pre vysvetlenie, prečo a ako elektromagnetické zariadenia fungujú.

1. Poučka

Okolo každého vodiča, ktorým preteká elektrický prúd, vzniká magnetické pole. Toto pole pôsobí na magnetku (kompas) a na iné vodiče s prúdom. Keď vodič stočíme do cievky (veľa závitov drôtu) a necháme ňou prechádzať prúd, magnetické pole sa zosilní a cievka sa správa ako magnet. Ak do cievky vložíme železné jadro, vznikne elektromagnet — magnet, ktorý pôsobí len vtedy, keď tečie prúd, a dá sa zapínať a vypínať.

2. Vysvetlenie

Po krokoch:

1. Prúd vytvára magnetizmus. Elektrický prúd je pohyb nábojov. Každý pohybujúci sa náboj okolo seba vytvára magnetické pole. Objavil to dánsky fyzik Oersted, keď si všimol, že magnetka pri vodiči s prúdom vychýli.
2. Pole okolo rovného vodiča má tvar sústredných kružníc (krúžkov) okolo drôtu. Čím väčší prúd, tým silnejšie pole.
3. Cievka zosilní pole. Ak vodič navinieme do mnohých závitov, polia jednotlivých závitov sa sčítajú. Cievka má potom severný a južný pól ako tyčový magnet.
4. Železné jadro = elektromagnet. Vložené železo pole mnohonásobne zosilní. Výhoda: magnet funguje len pri zapnutom prúde — keď prúd vypneme, magnetizmus zmizne.
5. Silu elektromagnetu zväčšíme, keď: zväčšíme prúd, pridáme viac závitov, alebo použijeme železné jadro.

3. Príklady a prečo je to dôležité

1. Elektrický zvonček — elektromagnet pritiahne kladivko, ktoré udrie na zvonec; tým sa obvod preruší, kladivko sa vráti a celé sa to opakuje.
2. Žeriav v zberni šrotu — veľký elektromagnet zdvihne autá a železo; po vypnutí prúdu náklad pustí. Bežný magnet by sa nedal „vypnúť".
3. Elektromotor — využíva pôsobenie magnetického poľa na cievku s prúdom; poháňa práčku, ventilátor, elektrobicykel, vlak.
4. Reproduktor a slúchadlá — cievka s meniacim sa prúdom kmitá pred magnetom a rozkmitá membránu, ktorá vytvára zvuk.
5. Relé a stykače — malý prúd ovláda cez elektromagnet veľký obvod (napr. v aute štartér, v domácich spotrebičoch).
6. Magnetický zámok dverí, MRI v nemocnici, indukčný varič — všade pracuje magnetické pole vytvorené prúdom.

Prečo je to dôležité: Premena elektriny na magnetizmus (a pohyb) je základ takmer všetkých strojov okolo nás — motorov, generátorov, spotrebičov. Bez elektromagnetických javov by neexistovala výroba elektriny ani moderná technika.