Magnetno polje struje i elektromagnet — kako kran na otpadu podigne auto bez kuke?

🎬 Video

📖 Pojmovi

Ploča koja se uključuje

Okrugla ploča krana je elektromagnet: magnet koji radi samo dok kroz njega teče struja. Kad radnik uključi struju, ploča snažno privuče gvozdenu olupinu; kad je isključi, privlačenje nestane i auto padne. Da bismo razumeli kako to radi, prvo treba da vidimo da električna struja i sama stvara magnetno polje.

Struja okreće kompas

Danski fizičar Hans Kristijan Ersted primetio je 1820. godine, za vreme jednog predavanja, da se igla kompasa pored žice pomeri kad kroz žicu potekne struja, i vrati se kad struja prestane. Tako je otkriveno da oko provodnika kroz koji teče struja postoji magnetno polje. Opštije: magnetno polje stvara svako naelektrisanje koje se kreće, a struja je baš usmereno kretanje naelektrisanja.

Krugovi oko žice

Oko dugačke prave žice linije magnetnog polja su krugovi kojima je žica u centru, u ravni normalnoj na žicu. Smer linija daje pravilo desne šake: obuhvati žicu desnom šakom tako da palac pokazuje smer struje — savijeni prsti pokazuju smer linija polja. Što je struja jača, polje je jače; što smo dalje od žice, polje je slabije.

Kalem je kao šipkasti magnet

Kad se žica namota u mnogo navojaka, dobije se kalem (zavojnica). Polja svih navojaka se sabiraju, pa je unutar dugog kalema polje jako i homogeno — linije su paralelne i jednako guste. Spolja linije izgledaju kao kod šipkastog magneta: kraj kalema iz koga linije izlaze ponaša se kao severni pol, a kraj u koji ulaze kao južni. Već i jedan kružni navojak ima takav sever i jug, samo slabije: linije su zatvorene krive oko žice navojka, a kroz njegov centar prolazi prava linija normalna na ravan navojka. Unutrašnjost dugog kalema koristi se u laboratorijama kad je potrebno homogeno polje.

Gvozdeno jezgro

Ako se u kalem uvuče šipka od mekog gvožđa, gvožđe se u polju kalema namagnetiše i polje postane stotinama, pa i hiljadama puta jače nego kad je u kalemu samo vazduh. Kalem sa gvozdenim jezgrom je elektromagnet. Pošto je jezgro od mekog gvožđa, ono se razmagnetiše čim struja prestane — zato kran može da pusti auto. Elektromagnet je jači ako kroz njega teče jača struja i ako ima više navojaka.

Magnetna indukcija

Koliko je magnetno polje jako, opisuje magnetna indukcija $\vec{B}$. To je vektor: u svakoj tački ima pravac tangente na liniju polja, a smer isti kao smer linije. Jedinica je tesla (T), nazvana po Nikoli Tesli. Gde su linije gušće, $B$ je veće. Tesla je velika jedinica: polje Zemlje kod nas je oko 0,00005 T, mali magnet sa frižidera oko 0,005 T, a uređaj za magnetnu rezonancu u bolnici 1,5 do 3 T.

Gde je polje jače

Magnetna indukcija zavisi od izvora polja (koliko je jak magnet ili struja), od udaljenosti i od sredine. U gvožđu, niklu i kobaltu polje je mnogo jače nego u vazduhu — zato elektromagnet ima jezgro. U bakru, vodi i većini drugih materijala polje je samo malo jače ili malo slabije nego u vazduhu — skoro isto.

Polja se sabiraju

Kad u istoj tački deluju dva izvora — na primer Zemlja i žica sa strujom — ukupna magnetna indukcija je vektorski zbir: $\vec{B} = \vec{B}_1 + \vec{B}_2$. Zato se igla kompasa pored žice ne okrene sasvim po polju žice, nego u pravcu ukupnog polja, negde između pravca sever–jug i pravca polja žice.

Ko koga privlači

Ploča krana privlači olupinu, ali i olupina privlači ploču — silom istog intenziteta i pravca, a suprotnog smera. To su akcija i reakcija, i deluju na dva različita tela: jedna na auto, druga na ploču. Zato sajla krana mora da izdrži i težinu ploče i silu kojom je olupina vuče naniže.

Elektromagneti oko nas

Električna brava na ulazu u zgradu otvori se kad se pritisne dugme na interfonu: elektromagnet na kratko povuče rezu. Relej je prekidač kojim upravlja elektromagnet — slaba struja kroz njegov kalem privuče gvozdenu pločicu koja zatvori drugo, jako kolo, na primer kod pokretanja automobila. Elektromagneti su i u zvonima, u dizalicama i u bolničkim uređajima za magnetnu rezonancu.

Mikrostruje u atomu

Elektroni se u atomima neprestano kreću, a kretanje naelektrisanja znači i sićušne struje — mikrostruje. Zato su atomi mnogih materijala sićušni magneti. U nekim atomima se polja elektrona međusobno ponište, a u većini materijala atomski magnetići su okrenuti nasumično; u gvožđu, niklu i kobaltu mogu da se poređaju u istom smeru. Tako i stalni magnet duguje svoj magnetizam kretanju elektrona.

❓ Pitanja

✏️ Rešeni zadaci

📝 Test

Pročitaj zadatak i izaberi tačan odgovor. Računa se šta pogodiš iz prvog pokušaja.