Siła elektrodynamiczna (reguła lewej dłoni)

Lekcja 5 — Siła elektrodynamiczna (reguła lewej dłoni)

1. Czym jest siła elektrodynamiczna?

Siła elektrodynamiczna to siła działająca na przewodnik, przez który płynie prąd, jeśli znajduje się on w zewnętrznym polu magnetycznym.

Powstaje, ponieważ:

* ładunki elektryczne w przewodniku poruszają się,

* a poruszające się ładunki doświadczają działania pola magnetycznego.

Efekt: przewodnik jest odpychany lub przyciągany, zależnie od kierunku prądu i pola.

To podstawowe zjawisko wykorzystywane w:

* silnikach elektrycznych,

* głośnikach,

* miernikach magnetoelektrycznych,

* elektromagnesach roboczych.

—

2. Wzór na siłę elektrodynamiczną

Siła działająca na przewodnik z prądem:

$$F = B \cdot I \cdot l$$

gdzie:

* $F$ — siła,

* $B$ — indukcja pola magnetycznego,

* $I$ — natężenie prądu,

* $l$ — długość odcinka przewodnika znajdującego się w polu.

Siła działająca na pojedynczy ładunek:

$$F = B \cdot q \cdot v$$

gdzie:

* $q$ — ładunek,

* $v$ — prędkość ładunku.

—

3. Reguła lewej dłoni — określanie kierunku siły

Reguła lewej dłoni pozwala określić kierunek i zwrot siły działającej na przewodnik w polu magnetycznym.

Jak jej użyć?

Ustaw lewą dłoń tak, aby:

* palce pokazywały kierunek prądu (od plusa do minusa),

* linie pola magnetycznego wchodziły prostopadle w dłoń (zazwyczaj od strony nadgarstka w kierunku wnętrza dłoni),

* wtedy odchylony kciuk wskaże kierunek siły, która działa na przewodnik.

Schemat:

* palce → prąd $I$,

* pole $B$ → „wchodzi” w dłoń,

* kciuk → siła $F$.

—

4. Skutki działania siły elektrodynamicznej

Siła ta może:

* przesunąć przewodnik,

* wprawić go w ruch obrotowy,

* odkształcić zwój cewki,

* spowodować drgania cewki (np. w głośniku).

—

5. Zastosowania

Silnik elektryczny:

Przewodniki z prądem znajdują się w polu magnesu → siła powoduje obrót wirnika.

Głośnik:

Cewka z prądem drga w polu magnesu → wprawia membranę w ruch.

Miernik magnetoelektryczny:

Siła odchyla wskazówkę proporcjonalnie do prądu.

—

6. Najważniejsze wnioski

* Do powstania siły potrzebne są trzy elementy: pole $B$, prąd $I$ i długość przewodnika $l$.

* Kierunek siły można zawsze znaleźć przy pomocy reguły lewej dłoni.

* Siła elektrodynamiczna to klucz do zrozumienia działania wielu urządzeń elektrycznych.

Zadania – Lekcja 5: Siła elektrodynamiczna (reguła lewej dłoni)

1. (TAK/NIE) Siła elektrodynamiczna działa na przewodnik z prądem tylko wtedy, gdy znajduje się on w polu magnetycznym.

2. (TAK/NIE) Kierunek siły elektrodynamicznej można wyznaczyć regułą lewej dłoni.

3. Przewodnik o długości $l = 0{,}3\,\text{m}$, przez który płynie prąd $I = 5\,\text{A}$, znajduje się w polu magnetycznym o indukcji $B = 0{,}4\,\text{T}$. Oblicz siłę działającą na przewodnik:

$$F = B \cdot I \cdot l$$

4. Lewa dłoń ustawiona tak, że palce pokazują kierunek prądu, a pole magnetyczne „wchodzi” w dłoń. W którą stronę wskaże kciuk?

a) Kierunek siły w górę

b) Kierunek siły w dół

c) Kierunek siły w bok

5. (TAK/NIE) Jeśli odwrócimy kierunek prądu w przewodniku, kierunek siły również się odwróci.

6. Przewodnik w polu magnetycznym porusza się wskutek siły elektrodynamicznej. Jakie mogą być tego skutki? Wymień dwa przykłady praktyczne.

7. Pojedynczy ładunek $q = 2\cdot10^{-6}\,\text{C}$ porusza się z prędkością $v = 3\cdot10^4\,\text{m/s}$ w polu magnetycznym $B = 0{,}1\,\text{T}$. Oblicz wartość siły działającej na ładunek: