Sila na provodnik i elektromotor — šta okreće motorčić u autiću na baterije?
Magnetno polje deluje silom na provodnik sa strujom, Amperova sila F = I · l · B (provodnik normalan na polje; nula kad je paralelan), smer sile i pravilo leve ruke, uzajamno delovanje dve paralelne žice sa strujom, zvučnik, elektromotor (stator, rotor, ram, promena smera struje svakih pola obrtaja), elektromotor pretvara električnu energiju u kinetičku, generator radi obrnuto.
Video
Pojmovi
- Lazarev motorčić
- Kad Lazar krajeve žica motorčića prisloni na polove baterije, osovina se zavrti iako je ništa ne dodiruje. Okreće je međudejstvo dva magnetna polja: polja zakrivljenih magneta u kućištu i polja struje kroz namotaje na osovini. Silu kojom magnetno polje gura provodnik sa strujom zovemo Amperova sila, po francuskom fizičaru Andre-Mariju Amperu.
- Zvučnik — sila koja titra
- Istu silu čuješ u svakom zvučniku. Za membranu je zalepljen lagani kalem, smešten u polje stalnog magneta. Struja iz pojačala stalno menja jačinu i smer, pa magnet gura kalem čas napred, čas nazad. Membrana titra zajedno sa kalemom i potiskuje vazduh — nastaje zvuk.
- Gura u stranu
- Amperova sila nikad ne gura žicu duž linija polja, nego u stranu: normalna je i na žicu i na linije polja. Smer nalazimo pravilom leve ruke: levu šaku postavi tako da linije polja ulaze u dlan, a ispruženi prsti pokazuju smer struje — ispruženi palac pokazuje smer sile. Okreneš struju ili zameniš polove magneta — sila promeni smer. Zato membrana zvučnika ide napred-nazad.
- Koliko jako gura
- Za pravu žicu normalnu na linije homogenog polja: $F = I \cdot l \cdot B$, gde je $I$ struja, $l$ dužina žice koja se nalazi u polju, a $B$ magnetna indukcija. Dvaput jača struja, dvaput duža žica u polju ili dvaput jače polje — dvaput jača sila. Na 10 cm žice sa strujom od 2 A, u polju od 0,05 T, sila je samo 0,01 N; zato motori imaju po stotine navojaka.
- Kad sile nema
- Ako žica leži duž linija polja, sila je nula. Najveća je kad je žica normalna na polje; kad je nagnuta, računa se samo deo indukcije koji je normalan na žicu. Zato formula $F = I \cdot l \cdot B$ važi baš za žicu normalnu na polje.
- Ram između magneta
- Elektromotor ima nepokretni deo — stator, najčešće magnet — i deo koji se okreće — rotor, sa ramovima od žice na osovini. Kroz dve suprotne strane rama struja teče u suprotnim smerovima, pa magnet jednu stranu gura nagore, a drugu nadole: ram se okreće. Kad se ram okrene za pola kruga, strane zamene mesta, i sile bi ga vratile nazad. Zato se smer struje kroz ram tada mora okrenuti. U motorčiću na bateriju to radi komutator — obrtni preklopnik na osovini koji svakih pola obrtaja okrene smer struje kroz ram; kod nekih motora na naizmeničnu struju smer menja sama struja.
- Motori oko nas
- Elektromotor pretvara električnu energiju u kinetičku energiju okretanja. Elektromotori okreću elisu drona, lopatice ventilatora, točak električnog trotineta, bubanj veš-mašine i kompresor frižidera. Veći deo energije pretvore u kretanje nego benzinski motori i sami ne ispuštaju izduvne gasove — ali struja koju troše možda je proizvedena u termoelektrani.
- Generator: motor unazad
- Kad bi Lazar spolja okretao osovinu motorčića, na njegovim žicama bi se pojavio mali napon: motor bi radio kao generator. Ogromni generatori u elektranama rade isto: na Đerdapu ih okreće Dunav, u termoelektrani vrela para, a kod vetrogeneratora vetar. Okretanje namotaja u magnetnom polju daje napon, pa se kretanje pretvara u električnu energiju. Kako tačno nastaje taj napon, uči se kasnije.
- Dve žice sa strujom
- Žica sa strujom ima svoje magnetno polje, pa gura i drugu žicu sa strujom. Paralelne žice sa strujama istog smera se privlače, a sa strujama suprotnog smera odbijaju. Kad se žice primaknu, sila naraste; kad se kroz obe pusti jača struja, takođe. U kućnim kablovima ta sila je sićušna, ali u elektranama, gde kroz debele šine teku hiljade ampera, šine moraju čvrsto da se pričvrste. Obe žice osete sile istog intenziteta, a suprotnog smera — akcija i reakcija.
Formule
| Oznaka | Šta znači | Jedinica |
|---|---|---|
| $F$ | magnetna (Amperova) sila na provodnik | N |
| $I$ | struja kroz provodnik | A |
| $l$ | dužina provodnika u polju | m |
| $B$ | magnetna indukcija | T |
Važi kad je provodnik normalan na linije polja; tada je sila najveća. Kad je provodnik paralelan sa poljem, $F = 0$. Iz formule: $1\ \mathrm{T} = 1\ \dfrac{\mathrm{N}}{\mathrm{A} \cdot \mathrm{m}}$.
Pitanja
Pitanje 1 od 10
1. Zašto magnetno polje deluje silom na žicu kroz koju teče struja?
2. Kako glasi formula za Amperovu silu kad je žica normalna na polje?
3. Kolika je Amperova sila kad žica leži duž linija polja?
4. Šta se dešava sa silom ako se struja kroz žicu udvostruči?
5. U kom pravcu deluje Amperova sila?
6. Šta pokazuje palac leve ruke u pravilu leve ruke?
7. Kako deluju dve paralelne žice kroz koje teku struje istog smera?
8. Kako se zove deo elektromotora koji se okreće?
9. Zašto smer struje kroz ram motora mora da se promeni posle pola obrtaja?
10. Šta radi generator u elektrani?
Rešeni zadaci
Kroz žicu dužine 20 cm teče struja 5 A. Žica je normalna na homogeno magnetno polje indukcije 0,1 T. Kolika sila deluje na žicu?
-
$l = 20\ \mathrm{cm} = 0{,}2\ \mathrm{m}$Dužinu izrazimo u metrima.
-
$F = I \cdot l \cdot B = 5\ \mathrm{A} \cdot 0{,}2\ \mathrm{m} \cdot 0{,}1\ \mathrm{T} = 0{,}1\ \mathrm{N}$Amperova sila.
Na žicu dužine 0,5 m, normalnu na polje od 0,2 T, deluje sila 0,3 N. Kolika struja teče kroz žicu?
-
$I = \dfrac{F}{l \cdot B} = \dfrac{0{,}3\ \mathrm{N}}{0{,}5\ \mathrm{m} \cdot 0{,}2\ \mathrm{T}} = 3\ \mathrm{A}$Iz F = I · l · B izrazimo struju.
Ista žica sa istom strujom okrene se tako da leži duž linija polja. Kolika je sada sila?
-
Kad je žica paralelna sa linijama polja, normalni deo indukcije je nula.Polje „ne gura“ žicu duž sebe.
Linije polja idu s leva na desno, a struja kroz žicu teče od tebe, u ekran. Na koju stranu gura sila?
-
Leva šaka: linije ulaze u dlan, pa je dlan okrenut nalevo, a prsti pokazuju u ekran.Prsti — smer struje.
-
Ispružen palac tada pokazuje naniže.Palac — smer sile.
Test
Kod računskih zadataka reši u svesci i upiši rezultat (decimalni broj sa zarezom, npr. 2,5), a kod ostalih izaberi tačan odgovor.
Kroz žicu dužine 0,6 m teče struja 3 A. Žica je normalna na polje indukcije 1 T. Kolika sila deluje na žicu?
Žica dužine 0,25 m normalna je na magnetno polje. Kroz nju teče 6 A, a na nju deluje sila 0,3 N. Kolika je magnetna indukcija?
Na žicu u polju indukcije 0,4 T, normalnu na linije polja, deluje sila 0,12 N. Kroz žicu teče 3 A. Koliki deo žice, u centimetrima, se nalazi u polju?
Struja kroz kalem zvučnika promeni smer. Šta se desi sa membranom?
Lazar okrene bateriju u motorčiću naopako, pa struja teče u suprotnom smeru. Šta se desi?
Bravo, čas je završen!
Želiš sertifikat? Napravi besplatan nalog, pa uradi test još jednom (treba bar 3 od 5 tačno). Rezultati se tada čuvaju, a sertifikat možeš da odštampaš ili podeliš.
Napravi besplatan nalogPohvali se i pozovi drugara:
Sledeći čas: 39. Nikola Tesla i Mihajlo Pupin — šta je u tvojoj kući od njihovih izuma?