Siła elektrodynamiczna

Siła elektrodynamiczna - definicja i wzory

Siła elektrodynamiczna (określana również magnetyczną) to siła z jaką pole magnetyczne działa na przewodnik (np. przewód elektryczny wykonany z drutu miedzianego), w którym płynie prąd elektryczny. Wszelkie wzory oraz dodatkowe informacje teoretyczne na temat tej wielkości można znaleźć tutaj.
Natomiast w tym artykule zajmiemy się jej funkcjonowaniem w rzeczywistości.

Praktyczne zastosowanie

Po przeczytaniu wyżej przytoczonych regułek i wzorów ciężko o realistyczny obraz działania omawianej wielkości fizycznej.  Dlatego też, aby lepiej zrozumieć „z czym to się je”, warto poznać kilka przykładów, gdzie siła elektrodynamiczna pojawia się na co dzień. Zarówno w pobliżu nas jak i w nieco bardziej wyrafinowanych celach. Pierwszym i podstawowym jej użytkownikiem jest przemysł elektrotechniczny. Od czasów wynalezienia silnika elektrycznego pracuje on nieprzerwanie w identyczny sposób. Oczywiście zmieniła się technologia produkcji maszyn oraz zastosowane w nich rozwiązania,  źródło pozostaje jednak to samo. Energia elektryczna przetwarzana jest na mechaniczną, oddziaływanie pola magnetycznego umożliwia zaindukowanie się tzw. siły elektromotorycznej (SEM) - czyli w dużym uproszczeniu, w konsekwencji wprowadzenie w ruch wirnika – części silnika która generuje moc możliwą do wykorzystania. Co ciekawe, istnieje również możliwość zadziałania „w drugą stronę”. W ten sposób funkcjonują prądnice, które są wykorzystywane do przetwarzania energii mechanicznej na elektryczną.

Wprawiony dostarczoną energią (np. natężenie spadu wody w elektrowniach pompowo-szczytowych, spalanie paliwa w agregatach prądotwórczych) w ruch rotor generatora powoduje, że uzwojenie cewki umieszczonej w wirniku prądnicy przecina linie pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające. Dzięki temu indukuje się w nim zmienna SEM. Zastosowania te wydają się odległe od codzienności? Nic bardziej mylnego. Silniki elektryczne napędzają wiele urządzeń które spotykamy wokół siebie. Przykładem może być pralka (np. ruch bębna podczas wirowania),  odkurzacz (za odsysanie odpowiada sprężarka odśrodkowa napędzana przez silnik elektryczny), a nawet napęd samochodu elektrycznego (siła elektrodynamiczna oddziałuje w taki sam sposób nawet w najbardziej zaawansowanych konstrukcjach).

Elektrodynamika a wytwarzanie energii

Pozostają jeszcze prądnice. Można by uwzględnić agregaty prądotwórcze, stosowane są one jednak głównie w miejscach gdzie konieczne jest awaryjne źródło zasilania na wypadek nagłej utraty jego źródła tzn. szpitale, czy obiekty żywotne dla funkcjonowania państwa. Są one jednak znacznie bliżej nas! Każdy widział kiedyś, bądź słyszał o rowerach wyposażonych w dynamo. To niepozorne urządzenie, to nic innego jak mały generator, wykorzystujący ruch naszych mięśni do wytworzenia napięcia.

Dla pasjonatów technologii interesujący może być fakt, że siła elektrodynamiczna znajduje zastosowanie również w miernictwie.  Wiele przyrządów służących do pomiaru parametrów prądu elektrycznego korzysta z działania tego parametru fizycznego.  Wielkość ta o danym natężeniu, przetworzona przez ustrój pomiarowy miernika powoduje wychylenie wskazówki, zależne od jej wartości.

Siła ta wykorzystywana jest nawet w budowie słuchawek.  Od jej nazwy są określane jako elektrodynamiczne. Generują dźwięk za pomocą membrany wykonanej z plastiku,  papieru lub w wysokiej jakości słuchawkach z mikrofibry. Jej ruch wzbudzany jest przez przyklejoną do niej cewkę, umieszczoną w silnym stałym polu magnetycznym. Element  indukcyjny porusza się wskutek przepływającego przezeń prądu zmiennego.

Elektromagnesy i ich zastosowanie

Elektromagnesy, których stworzenie było możliwe dzięki poznaniu siły elektrodynamicznej wykorzystywane są w wielu dziedzinach życia codziennego. Oprócz tego, że są jednym z podzespołów biorących udział w procesie generowania i przetwarzania energii w silnikach i prądnicach, funkcjonują również w urządzeniach nie mających charakteru ruchomego.
Przykładem jest bardzo istotne zastosowanie w medycynie. Występują w tomografach komputerowych - stosowanych do diagnostyki obrazowej. Umieszczony w środku maszyny elektromagnes nadprzewodzący pozwala na wykonanie magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR),  który pozwala bezdotykowo uzyskać obraz wnętrza ludzkiego ciała.

Są również bardziej prozaiczne zastosowania dla elektromagnesu. W telewizorze odpowiada on za odchylenie wiązki elektronów, które padają na ekran i tworzą obraz telewizyjny. W telefonie powoduje on ruch membrany słuchawki, dzięki czemu powstaje słyszalny dla człowieka dźwięk. Nawet dzwonek na szkolnym korytarzu z niego korzysta. Po włączeniu napięcia elektromagnes przyciąga młoteczek do dzwonka. Ruch młoteczka przerywa obwód elektryczny i sprężynując powraca on do pozycji pierwotnej. Wówczas prąd zaczyna znowu płynąć i sytuacja się powtarza. Dzwonek brzęczy tak długo, aż napięcie zostanie wyłączone.

Jak zaczęto wykorzystywać
siłę elektrodynamiczną?

Warto również poznać kilka ciekawostek związanych z rozpoczęciem przez człowieka wykorzystywania omawianej wielkości.  Kluczowym z nich jest oczywiście, uwzględnione na początku poprzedniego akapitu, wytwarzanie energii. Prąd pochodzący z przetworzonej energii mechanicznej stanowi współcześnie ważną część państwowej gospodarki energetycznej.  Przed wynalezieniem prądnic korzystano ze źródeł chemicznych (ogniwa galwaniczne) oraz nieefektywnych maszyn elektrostatycznych (generowane w ten sposób zasilanie było bardzo drogie).

Pierwsza prądnica, działająca w oparciu o siłę elektrodynamiczna powstała w 1831r.,  a skonstruował ją odkrywca zjawiska indukcji elektromagnetycznej Michael Farady. Jego urządzenie, nazwane później „dyskiem Faraday’a”, generowało energię elektryczną za pomocą ruchu obrotowego miedzianego dysku, umieszczonego w polu magnetycznym podkowiastych magnesów trwałych.  Maszyna ta wytwarzała prąd stały o niewielkim napięciu i dużym natężeniu. Zaledwie rok później Hippolyte Pixii (fizyk francuski) zbudował prądnicę prądu przemiennego. Za wytwarzanie elektryczności przez to urządzenie  odpowiadał obrót magnesu blisko zwojnicy. Po opracowaniu zwojnicy, która obracała się w polu magnetycznym i zastosowaniu komutatora uzyskano urządzenie generujące prąd płynący w jednym kierunku.