Elektromagnetyzm

Na pewno zdarzyło się wam bawić magnesami, choćby tymi na lodówkę. W tym dziale poznamy podstawowe informacje dotyczące magnetyzmu i zobaczymy jak łączy się on z omawianą już elektrycznością. To dzięki ich nieoczywistemu związkowi mamy prąd w naszych domach, a z drugiej strony: kłopot z nadmiarem dwutlenku węgla w atmosferze i ociepleniem klimatu.

Zacznijmy jednak od podstaw, czyli samego magnetyzmu. Weź dwa dowolne magnesy. Zauważ, że w zależności od ich ustawienia raz chcą się przyciągać, a kiedy indziej odpychać. Jeśli masz gdzieś prawdziwy kompas (nie wszystkie smartfonowe się nadadzą!), to będziesz mógł nazwać bieguny ("strony") magnesu N (północną) i S (południową).

Zasada jest taka sama, jak przy elektrostatyce: przeciwieństwa się przyciągają, a te same bieguny odpychają. Skoro tak, to jeżeli igła kompasu wskazuje północ geograficzną tam, gdzie jest Arktyka, to jaki musi być tam biegun magnetyczny? Wrócimy do tego pytania, gdy poznamy lepiej charakter magnetyzmu wprowadzając pojęcie pola magnetycznego.

Pole magnetyczne, to linie, które sobie wyobrażamy, by pokazać jak oddziałuje magnes w przestrzeni. Można je zobaczyć, gdy ma się pod ręką opiłki żelazne, najlepiej zamknięte w przezroczystym pudełku - takim, jak to:

Kształt, który powstaje blisko magnesu pokazuje nam jak wygląda pole magnetyczne wokół niego. Wykorzystuje się ten efekt w różnych gadżetach, na przykład w magnetycznej klepsydrze

Jeżeli masz dostęp do opiłków, przystaw magnes na różne sposoby, by zobaczyć jak dokładnie wygląda jego pole magnetyczne. Na schematach pokazuje się je zazwyczaj w ten sposób:

Zwróć uwagę, że na schemacie zaznaczono rówież strzałki. Jest to umowne oznaczenie, że linie pola magnetycznego rysuje się od bieguna północnego, do południowego. Nie jest to coś, co można zobaczyć w przyrodzie za pomocą opiłków.

(...)

Zorza polarna

To piękne zjawisko, które można dostrzec tylko w pobliżu biegunów Ziemi, za granicą kół podbiegunowych. Mieniące się świetlne poświaty zachwycają każdego. Jak powstają?

Takie słoneczne "strzały" mogą być naprawdę wielkich rozmiarów, jak to sfotografowane w 1992 przez Hideaki Miyazaki z Japonii (kliknij). Parę minut później możemy obserwować takie efekty (film!) .

Zatem naładowane elektrycznie cząstki oddziałują z polem magnetycznym! Czy można zaprojektować eksperyment, który by to pokazał? Przypadkiem udało się to Oerstedowi: zauważył drgnięcie igły kompasu, gdy przez leżący ponad nim drut przepłynął prąd. Możesz to łatwo zrobić w domu!

Drgnięcie to dla nas dopiero pierwszy trop! Jeżeli jeden drucik wywołuje drgnięcie, to co się stanie jak nawiniemy drut na palec i wtedy zbliżymy do kompasu? Takie nawijanie, czyli tworzenie zwojów wytwarza silne pole magnetyczne - tym silniejsze, im większe jest natężenie płynącego przez nie prądu i im więcej zwojów zrobimy. A jak wygląda takie pole? Możemy je zobaczyć ponownie wykorzystując żelazne opiłki, które ustawią się w jego kształt. Oto one!

Silnik elektryczny

(...)

Kuchenka indukcyjna

Swą nawę zawdzięcza nie elektryzowaniu przez indukcję, które omawialiśmy w dziale elektrostatyka, a prawu indukcji elektromagnetycznej Michaela Faradaya:

W zamkniętym obwodzie umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym powstaje na odległość (indukuje się) prąd elektryczny. Generowane napięcie elektryczne zależy od szybkości zmian pola magnetycznego przepływającego przez ustaloną powierzchnię. Ponadto, zmiana tej powierzchni w czasie także wystarczy, by indukować prąd, o ile tylko jest obecne pole magnetyczne.

Zatem możemy mieć prąd bez baterii! Wystarczy machać magnesem w pobliżu zamkniętego obwodu.

Podczas przepływu prądu możemy mieć straty energii elektrycznej na rzecz energii cieplnej. A co, jeżeli sprytnie te straty wykorzystamy, starając się je wzmocnić? Taka jest zasada działania kuchenki indukcyjnej: płynący w spodzie garnka prąd mocno go rozgrzewa. Prąd ten płynie, ponieważ wzbudza go zmienne pole magnetyczne produkowane (indukowane) przez elektromagnes kuchenki (spójrz na zdjęcie poniżej!)

Wyjaśnienie bardziej szczegółowe i zaawansowane można znaleźć tutaj.

Elektrownie

Kuchenka indukcyjna działa na prąd, dlatego warto spytać w jaki sposób powstaje on w elektrowniach. Obejrzyj poniższy film i znajdź odpowiedź na pytania:

1. jak nazywa się element elektrowni, który wykorzystuje prawo Faradaya do produkcji prądu?
2. jaka substancja wprawia ten element w ruch?
3. po co elektrowniom węglowym węgiel?

(...)

Fale elektromagnetyczne

Odczarujmy pojęcie "fala elektromagnetyczna". Drugi człon wskazuje na pochodzenie: od pola elektrycznego i pola magnetycznego. Wiemy, że zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. A to z kolei wytwarza pole magnetyczne itd... Jeżeli ta zmienność pól zachodzi regularnie, to efektem będzie ich falowanie (cykl zmniejszania się i zwiększania), które w najprostszym wypadku wygląda tak, jak na poniższej animacji. Pole elektryczne oznaczono kolorem czerwonym i literą E; pole magnetyczne to kolor zielony i litera B.

Fala może drgać szybciej lub wolniej. Parametrem, który nam o tym mówi jest częstotliwość f zdefiniowana jako liczba drgnięć na sekundę; częstotliwość wyrażamy w hercach [Hz]. Z taką wielkością spotykamy się na co dzień. Falę można scharakteryzować także w inny sposób.

Zapauzujmy animację. Z łatwością możemy wskazać najwyższy i najniższy punkt elektrycznego (czerwonego) komponentu naszej fali. Możemy zdefiniować drugą wielkość: długość fali lambda. Jest to odległość na pomiędzy dwoma takimi samymi czubkami fali, bądź też dowolna inna, po której kształt fali się powtarza. Poniżej zaznaczono dwa przykładowe miejsca.

Długość fali i jej częstotliwość wiąże zależność

Gdzie v - prędkość fali w danym ośrodku. Dla fal elektromagnetycznych możemy przyjąć prędkość światła c = 300 tys. km/s (tak w próżni, jak i w powietrzu).

Częstotliwość f wiąże się natomiast z okresem fali, czyli czasem jednego drgnięcia.

Zaskakujące jest, że sama częstość (lub, kto woli, długość fali) decyduje o jej właściwościach: czy to będą fale radiowe, czy podczerwień, czy promienie X. Także kolory, światło, które widzimy jest falą elektromagnetyczną. Pełen zakres częstotliwości fal nazywamy spektrum (lub widmem) elektromagnetycznym.

Rozwiązanie kłopotów młodego Clarka Kenta ze zmysłem wzroku sprowadzało się więc do nauki dostrojenia się na odpowiednią częstotliwość.

PS: bardziej zaawansowaną lekcję o falach znajdziesz w Khan Academy!


CDN

• substancje magnetyczne
• przełamywanie magnesu
• magnetyzm Ziemi
• (elektro)magnetyczny pociąg
• fale
• dźwiękowe:
  http://thekidshouldseethis.com/post/82296107912