Click here to load reader

MagnetyzM, indukcja elektroMagnetyczna - Platformawlf-info-platforma.wwsi.edu.pl/material/mdWLF/m11/mdWLF_m11... · 3 Moduł 11 MagnetyzM, indukcja elektroMagnetyczna fizyka – zakres

  • View
    261

  • Download
    4

Embed Size (px)

Text of MagnetyzM, indukcja elektroMagnetyczna -...

Czowiek - najlepsza inwestycja

Projekt wspfinansowany przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

Modu dydaktyczny: fizyka - informatyka

Magnetyzm, indukcja elektromagnetyczna

Grzegorz F. Wojewoda

WIRTUALNE LABORATORIA FIZYCZNE NOWOCZESN METOD NAUCZANIA

INNOWACYJNY PROGRAM NAUCZANIA FIZYKI W SZKOACH PONADGIMNAZJALNYCH

3

Modu 11

MagnetyzM, indukcja elektroMagnetycznafizyka zakres rozszerzony

OPRACOWANE W RAMACH PROJEKTU:

WIRTUALNE LABORATORIA FIZYCZNE NOWOCZESN METOD NAUCZANIA.PROGRAM NAUCZANIA FIZYKI

Z ELEMENTAMI TECHNOLOGII INFORMATYCZNYCH

2

Tytu: Magnetyzm, indukcja elektromagnetyczna

Autor: mgr Grzegorz F. Wojewoda

Redaktor merytoryczny: dr hab. in. prof. WWSI Zenon Gniazdowski

Materia dydaktyczny opracowany w ramach projektu edukacyjnego WIRTUALNE LABORATORIA FIZYCZNE NOWOCZESN METOD NAUCZANIA.

PROGRAM NAUCZANIA FIZYKI Z ELEMENTAMI TECHNOLOGII INFORMATYCZNYCH

www.wlf.wwsi.edu.pl

[email protected]

Wydawca: Warszawska Wysza Szkoa Informatykiul. Lewartowskiego 17, 00-169 Warszawa

[email protected]

Projekt graficzny: Maciej Koczanowicz

Warszawa 2013Copyright Warszawska Wysza Szkoa Informatyki 2013

Publikacja nie jest przeznaczona do sprzeday

Czowiek - najlepsza inwestycja

Projekt wspfinansowany przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego

Temat 1Pole magnetyczne i jego rda

Wstp

Przegldajc zasoby fotografii kosmosu na stronach internetowych ESA oraz NASA mona znale fotografie planet Ukadu So-necznego. Na fotografiach niektrych planet mona dostrzec zjawisko zrz polarnych (rys. 11.1.). Rwnie na Ziemi takie zjawisko mona dostrzec. W sprzyjajcych warunkach take z terenu Polski. W treci tego tematu znajdzie-cie odpowied na pytanie co jest rdem pola magnetycznego, ktre jest przyczyn powsta-wania zrz polarnych.W yciu codziennym spotykamy si z wieloma przykadami zastosowania rnych rde pola magnetycznego. Drzwi wejciowe do wielu budyn-kw mieszkalnych mona otworzy po uruchomieniu umieszczonego w nich elektromagnesu. Drzwi lodwki cile przylegaj do niej dziki zastosowaniu magnesw umieszczonych wewntrz gumowej uszczelki. Do orientacji w terenie moe suy kompas dziki istnieniu pola magnetycznego wytwarza-nego przez Ziemi. Wymienione powyej rda pola magnetycznego maj wspln cech. Wewntrz struktury tych rde znajduj si poruszajce si adunki elektryczne. Korzystajc z przyblienia fizyki klasycznej mona powiedzie, e:

rdem pola magnetycznego s poruszajce si adunki elektryczne.Przykadem poruszajcych si adunkw elektrycznych jest prd elektryczny. Wok przewodnika, w kt-rym pynie prd elektryczny powstaje pole magnetyczne. Sprawdmy na pocztek pole magnetyczne powstajce wok przewodnika prostoliniowego. Na rysunku 11.2. przedstawiono ukad linii pola mag-netycznego wok przewodnika prostoliniowego. Jak wida na fotografii linie pola magnetycznego tworz ukad wsprodkowych okrgw. Iga magnetyczna ustawia si stycznie do linii pola magne-tycznego. Wielkoci fizyczn, za pomoc ktrej bdziemy charakteryzowa pole magnetyczne jest in-

Rys. 11.1.

TEMAT 1 POLE MAgNETYCZNE I JEgO RDA

54

dukcja magnetyczna. Wektor indukcji magnetycz-nej jest styczny do linii pola magnetycznego. Warto indukcji magnetycznej pola w odlego-ci r od dugiego prostoliniowego przewodnika, w ktrym pynie prd o nateniu I mona obli-czy ze wzoru:

B Ir

= 0 2gdzie: 0 przenikalno magnetyczna prni,Umawiamy si e zwrot linii pola magnetycznego ustala regua prawej doni (Rys. 11.3.). Prawa do trzyma przewd z prdem w taki sposb, e kciuk wskazuje kierunek przepywu prdu przez prze-wodnik. Pozostae palce wskazuj zwrot linii pola magnetycznego.Gdy dugi metalowy drut nawiniemy na rurk wy-konan z izolatora, to powstanie zwojnica (lub inaczej cewka indukcyjna). Drut powinien by po-kryty warstw izolatora, aby prd pyn wzdu przewodnika, a nie pomidzy zwojami. Na rysunku 11.4. przedstawiono ukad linii pola magnetycznego wok zwojnicy, przez ktr pynie prd elektryczny. Podobnie jak poprzednio iga magnetyczna ustawia si stycznie do linii pola magnetycznego. Warto wektora indukcji magnetycznej wewntrz zwojnicy

o dugoci l posiadajcej N zwojw, w ktrej py-nie prd o nateniu I mona obliczy ze wzoru:

B N Il

= 0

Zwrot linii pola magnetycznego ustala regua pra-wej doni (Rys. 11.5.). Zacinita prawa do obe-jmuje cewk indukcyjn, przez uzwojenia ktrej pynie prd elektryczny. Odgity kciuk wskazuje pooenie bieguna N pola magnetycznego po-wstajcego wok zwojnicy.Mona zauway, e ksztat linii pola magnetycz-nego powstajcego wok zwojnicy jest bardzo podobny do ksztatu pola magnetycznego wy-twarzanego przez sztabk magnesu trwaego (Rys. 11.6.). Jak atwo zauway nasz magnes sztabkowy posiada dwa bieguny magnetyczne: N oraz S. Gdy podzielimy taki magnes na kawaki, to otrzymamy szereg magnesw dwubieguno-wych. Dlaczego tak si dzieje? Poznane do tej pory pola grawitacyjne oraz elektryczne posia-day rda w postaci pojedynczego obiektu: mas lub adunek elektryczny. Natomiast nawet pojedynczy poruszajcy si elektron wytwarza wok siebie pole magnetyczne, ktre posiada dwa bieguny magnetyczne. Oczywicie elektron opisany zgodnie z przyblieniem fizyki klasycznej. Magnes trway stanowi namagnesowany ferro-magnetyk. Wewntrz ferromagnetykw znajduj si obszary sieci krystalicznej nazywane dome-nami magnetycznymi. W obszarze danej domeny magnetycznej pola elektryczne wytarzane przez pojedyncze elektrony s uporzdkowane. Mona sobie wyobrazi, e domeny magnetyczne s mi-kromagnesikami wewntrz ferromagnetykw. Ale pola magnetyczne poszczeglnych domen nie musz by uporzdkowane. Porzdkowanie pl magnetycznych poszczeglnych domen na-stpuje dopiero podczas magnesowania prbki ferromagnetyka. Dzielc magnes trway na ka-waki otrzymujemy fragmenty zawierajce w so-bie bardzo due iloci domen magnetycznych, wic otrzymamy magnes dwubiegunowy.Nasza planeta jest olbrzymim magnesem. Ci-gle nie wiemy, jaki jest dokadnie mechanizm po-wstawania pola magnetycznego wok Ziemi. Ale sdzimy, e musi on mie zwizek z pynnymi warstwami pod powierzchni Ziemi. Planety posiadajce pynne wntrze rwnie wytwarzaj pole mag-netyczne czego dowodem s zorze polarne. Z duym przyblieniem mona sobie wyobrazi, e we-wntrz Ziemi znajduje si ogromny magnes (Rys. 11.7). O tego magnesu jest nachylona pod pewnym ktem wzgldem osi obrotu Ziemi. Zgodnie z przyjt umow linie pola magnetycznego wychodz

Rys. 11.3. Ilustracja reguy prawej doni.

B

Rys. 11.3. Ilustracja reguy prawej doni.

Rys.11.4. Linie pola magnetycznego wok zwojnicy.

Rys. 11.6. Pole magnetyczne wok magnesu sztabkowego.

Rys. 11.7. Pole magnetyczne wok Ziemi.

Rys. 11.5. Schemat ustalania zwrotu linii pola magnetycz-nego za pomoc reguy prawej doni.

Rys. 11.5. Schemat ustalania zwrotu linii pola magnetycnego za pomoc reguy prawej doni.

S N

N

J

N

S

Pn

Pd

Rys. 11.07. Pole magnetyczne wok Ziemi.

Rys.11.2. Linie pola magnetycznego wok przewodnika prostoliniowego.

A - opiki elaza przed przepywem prdu elektrycznego przez przewodnik. B - opiki elaza ukadaj si stycznie do lini pola magnetycznego.

A - opiki elaza przed przepywem prdu przez zwojnic. B - opiki elaza ukadaj si stycznie do lini pola magnetycznego.

Rys.11.06. Pole magnetyczne wok magnesu sztabkowego.

7

TEMAT 1

6

Temat 2Ruch czstki naadowanej w polu magnetycznym

Wstp

W roku 2013 naukowy wiat ekscytowa si odkryciem czstki, ktra odpowiada za na-dawanie czstkom elementarnym masy bo-zonu Higgsa. Odkrycia tego dokonano dziki uyciu Wielkiego Zderzacza Hadronw LHC zainstalowanego w Europejskiej Organizacji Bada Jdrowych CERN w Genewie. W tunelu LHC naadowane czstki osigaj olbrzymie energie poruszajc si po okrgu o rednicy 27km (Rys. 11.8.). Ruch czstek odbywa si po okrgu dziki oddziaywaniu z polem mag-netycznym.Pole magnetyczne rni si od pl elektrycznego oraz grawitacyjnego. Jak zauwaylimy wielko pola magnetycznego w przypadku przewodnika z prdem maleje wraz z odlegoci od rda. Natenia pl grawitacyjnego oraz elektrycznego malej z kwadratem odlegoci od rda. Na naadowan czstk w polu elektrycznym oraz na mas w polu grawitacyjnym siy pl dziaaj wzdu linii tych pl. W przypadku pola magnetycznego jest inaczej. Aby pole magnetyczne zaczo dziaa si na naadowan czstk musi si ona porusza. Przeprowadmy nastpujce dowiadczenie.

z bieguna N, a wchodz do bieguna S. Oznacza, to e w pobliu pnocnego bieguna geograficznego znajduje si poudniowy biegun magnetyczny. Bieguny ziemskiego pola magnetycznego przemiesz-czaj si. Co mniej wicej milion lat nastpuje przemagnesowanie ziemskiego pola magnetycznego. Zmiany biegunw pola magnetycznego obserwuje si rwnie na Socu.

Podsumowanie

rdem pola magnetycznego s poruszajce si adunki elektryczne. Warto przeledzi ponisz ani-macj.

Patrz Animacja: Pole magnetyczne wok rnych rde.

Rys.11.8. Wntrze tunelu LHCw CERN pod Genew.

Rys.11.9a. Badanie ruchu elektronw w polu magnetycz-nym.

Rys.11.9b. Badanie ruchu elektronw w polu magnetycznym.

Ryc. 11.9c. Badanie ruchu elektronw w polu magnetycznym.

Tak wyglda smuga ukazujca ruch elektronw w rurce. Jeszcze bez pola magnetycznego.

Rys.11.09b. Badanie ruchu elektronw w polu magnetycznym.

Gdy zbliamy magnes (biegunem S z naszej strony)smuga odchyla si w gr.

S N

Rys.11.09c. Badanie ruchu elektronw w polu magnetycznym.

Gdy pole magnetyczne jest ustawione biegunem N z naszej strony, to wizka elektronw odchyla si w d.

N

Dowiadczenie 1Do wykonania dowiadczenia potrzebne bd: magnes trway w ksztacie podkowy (jako rdo pola magnetycznego, ktre bdziemy uwaa za jednorodne), rurka prniowa z umieszczon pytk pokryt substancj, ktra bdzie wieci pod wpywem strumienia elektronw oraz rdo wysokiego napicia (induktor).Przebieg dowiadczeniaRurk podczamy do rda napicia. Zauwa-amy lad pozostawiony na pytce przez poru-szajce si elektrony (rys. 11.9 a)). Gdy ustawimy

TEMAT 2 RUCH CZSTKI NAADOWANEJ W POLU MAgNETYCZNYM

98

magnes w taki sposb, e pocztkowy wektor prdkoci elektronw jest prostopady do linii pola mag-netycznego, to zauwaymy, e tor elektronw odchyla si w gr lub w d (Rys. 11.9 b) i c)).Przebieg dowiadczenia mona znale w pliku:

Patrz: Dowiadczenie 1Na naadowan czstk poruszajc si w polu magnetycznym dziaa sia Lorentza. Warto siy Lo-rentza mona obliczy ze wzoru:

= F q v B L singdzie: q adunek czstki,v warto prdkoci czstki,B warto indukcji magnetycznej pola, kt midzy kierunkiem wektora prdkoci oraz kierunkiem linii pola magnetycznegoKierunek siy dziaajcej na naadowan czstk poruszajc si w polu magnetycznym jest prostopady

do paszczyzny wyznaczonej przez kierunki wektorw prdkoci czstki

v oraz indukcji magnetycz-

nej B

(Rys. 11.10). Zwrot siy Lorentza moe ustala regua lewej doni. Pole magnetyczne wbija si w otwart do, ktrej wyprosto-wane cztery palce wskazuj kierunek i zwrot wektora prdkoci czstki. Wwczas odgity kciuk wskazuje kierunek i zwrot wektora siy Lorentza dziaajcej na czstk dodatni.Gdy czstki naadowane bd kierowane do obszaru jednorodnego pola magnetycz-nego wzdu linii tego pola, to nie bdzie dzia-a na nie sia Lorentza. Dalszy ruch bdzie ruchem jednostajnym po linii prostej wzdu linii pola magnetycznego. Gdy pocztkowy kierunek wektora prdkoci czstek bdzie prostopady do kierunku linii pola magnetycz-nego, to dziaajca na czstki sia Lorentza b-dzie peni rol siy dorodkowej. Dalszy ruch bdzie ruchem jednostajnym po okrgu. Gdy pocztkowy kierunek prdkoci czstki b-dzie inny od wymienionych powyej, ruch czstki bdzie zoeniem ruchu jednostaj-nego po okrgu oraz jednostajnego po linii prostej czyli bdzie lini rubow.Rozwamy ruch naadowanej czstki skiero-wanej pod ktem prostym do linii pola mag-netycznego (Rys. 11.11.). Na tak czstk dziaa sia Lorentza, ktrej kierunek jest prostopady do wektora prdkoci czstki. Sia Lorentza peni w tym przypadku rol siy dorodko-wej. Mona to zapisa w sposb nastpujcy:

dL FF =

Wic: RvmBvq

2=

Po podzieleniu obu stron rwnania przez v, otrzymujemy:

RvmBq =

*

Z wyraenia tego wynika, e im wiksza jest warto prdkoci czstki poruszajcej si w polu magne-tycznym, tym wikszy jest promie okrgu, po ktrym si ona porusza.Sprawdmy, od czego zaley okres obiegu czstki podczas ruchu po okrgu. Przypominamy, e warto prdkoci liniowej w ruchu po okrgu wyraa si zalenoci:

v RT

= 2

Wstawiajc to wyraenie do wzoru oznaczonego * otrzymujemy:

TRRm2Bq

=

Wic okres obiegu czstki:

Bqm2T

=

Z powyszego wzoru wynika, e okres obiegu czstki naadowanej, poruszajcej si po okrgu w polu magnetycznym, nie zaley ani od wartoci prdkoci czstki, ani promienia okrgu, po ktrym si ona porusza. Ta cecha umoliwia zbudowanie akceleratorw czstek. Ale w urzdzeniach tych pole mag-netyczne nie rozpdza czstek. Ono tylko powoduje ich ruch po okrgach.Przykadem akceleratora czstek jest Large Hadron Collider (LHC) w CERN-ie. Aby w peni zrozumie jego dziaania musielibymy odwoywa si do praw fizyki relatywistycznej. Rozpdzone czstki poru-szaj si w tym urzdzeniu z prdkociami o wartociach porwnywalnych z wartoci prdkoci wiata. Na tym etapie poznawania praw przyrody wystarczy nam stwierdzenie, e promie okrgu, po ktrym poruszaj si w LHC rozpdzone czstki pozostaje stay. Wystarczy wic, e tylko tam, gdzie poruszaj si czstki bdzie istniao pole magnetyczne. Dlatego LHC moe mie ksztat zbliony do okrgu.W poniszym pliku przedstawiono mechanizm dziaania cyklotronu urzdzenia sucego do rozp-dzania naadowanych czstek.

Patrz Animacja: Ruch czstki w polu magnetycznym

Podsumowanie

Sia Lorentza to sia dziaajca na naadowan czstk poruszajc si w polu magnetycznym. Warto siy Lorentza mona obliczy ze wzoru:

= F q v B L sinGdy sia Lorentza jest jedyn si dziaajc na poruszajc si czstk, to moe ona porusza si: po li-nii prostej, po okrgu lub po linii rubowej.

90

90

90

90 V

VFLFL

B

B

Rys. 11.10. Regua lewej doni

Rys. 11.10. Regua lewej doni

Rys. 11.11. Sia Lorentza powoduje ruch czstki naadowanej po okrgu.

B

FL

V

BB

B

Rys. 11.11. Sia Lorentza powoduje ruch czstki naadowanej po okrgu.

SIA ELEKTRODYNAMICZNA. SILNIKI ELEKTRYCZNE

1110

nes trway, ale te przewodnik, w ktrym pynie prd elektryczny. Przeanalizujmy, w jaki sposb dziaaj na siebie dwa przewodniki prostoliniowe umieszczone rwnolegle do siebie (Rys. 11.14.). W kadym z nich pynie prd elektryczny, o nat-eniach wynoszcych odpowiednio I1 oraz I2. Wo-k przewodnika oznaczonego cyfr 1 powstaje pole magnetyczne zaznaczone na rysunku kolo-rem niebieskim. W miejscu, ktrym znajduje si przewodnik oznaczony cyfr 2 warto indukcji magnetycznej pola wytworzonego przez prze-wodnik 1 wynosi B1. Stosujc regu lewej doni mona wyznaczy kierunek i zwrot siy, z jak pole magnetyczne przewodnika 1 dziaa na przewod-nik 2. Wok przewodnika oznaczonego cyfr 2 powstaje pole magnetyczne zaznaczone na ry-sunku kolorem zielonym. W miejscu, ktrym znaj-duje si przewodnik oznaczony cyfr 1 warto indukcji magnetycznej pola wytworzonego przez przewodnik 2 wynosi B2. Stosujc regu lewej doni mona wyznaczy kierunek i zwrot siy, z jak pole magnetyczne przewodnika 2 dziaa na przewodnik 1. Jak mona zauway przewodniki te przycigaj si wzajemnie. Wyznaczmy warto si wzajemnego przycigania. Warto siy, z jak przewodnik 1 przyciga przewodnik 2 mona wyznaczy ze wzoru:

lIBF = 211gdzie: B1 warto indukcji magnetycznej pola wytworzonego przez przewodnik 1,I2 natenie prdu pyncego przez przewodnik 2,l dugo odcinka przewodu,Pamitajc o tym, e warto indukcji pola magnetycznego wytworzonego przez przewodnik 1 mona obliczy ze wzoru:

B Ir1 0

1

2=

warto, z jak przewodnik 1 dziaa na przewodnik 2 wyraa si wzorem:

F I Irl1 0 1 22

=

Zgodnie z III zasad dynamiki oddziaywanie mi-dzy przewodnikami jest wzajemne, wic warto siy, z jak przewodnik 2 dziaa na przewodnik 1 jest taka sama jak warto siy z jak przewodnik 1 dziaa na przewodnik 2.W praktyce fakt dziaania pola magnetycznego na przewodnik, w ktrym pynie prd elektryczny wykorzystuje si do budowy silnikw elektrycz-nych. Na rysunku 11.15 przedstawiono schemat dziaania takiego silnika. Ramka z drutu zamoco-wana jest na osi w polu magnetycznym. Zaka-damy, e zamocowanie jest idealne, brak jest siy oporu ruchu. Ramka za porednictwem komu-tatora jest podczona do rda prdu staego.

N

S

J

J

F

F

B

B

B

J

Temat 3Sia elektrodynamiczna. Silniki elektryczne

Wstp

W temacie tym wyjanimy w jaki sposb pole magnetyczne dziaa na przewodnik, w ktrym py-nie prd elektryczny. Silniki elektryczne to urzdzenia, ktre wykorzystuj dziaanie pola mag-netycznego na przewodnik w ktrym pynie prd elektryczny.Gdy elektron porusza si w polu magne-tycznym, to dziaa na niego sia Lorentza. Przepyw prdu elektrycznego przez przewodnik mona traktowa jako ruch jednostajny elektronw wzdu drutu (Rys. 11.12.). Gdy przewodnik umieszczony jest w polu magnetycznym na kady elek-tron dziaa sia skierowana prostopadle do kierunku linii pola magnetycznego oraz prostopada do kierunku wyznaczo-nego przez przewodnik. Suma wszyst-kich si dziaajcych na dryfujce wzdu przewodnika elektrony jest si, z jak pole magnetyczne dziaa na przewodnik z prdem. Si, ktra dziaa na przewod-nik z prdem umieszczony w polu mag-netycznym nazywamy si elektrodyna-miczn. Warto siy elektrodynamicznej mona obliczy ze wzoru:

= F B I l singdzie: B warto indukcji pola magnetycznego,I natenie prdu pyncego w przewodniku,l dugo przewodnika znajdujca si w obszarze pola magnetycznego, kt pomidzy liniami pola magnetycznego oraz przewodnikiem.Sposb ustalania kierunku i zwrotu siy elektrodynamicznej mona zobaczy w filmiku znajdujcym si w pliku:

Patrz: Dowiadczenie 1Jak mona byo zauway ogldajc filmik kierunek i zwrot siy elektrodynamicznej mona ustali korzystajc z reguy lewej doni (Rys. 11.13.). Ustawiamy lew do w taki sposb, aby pole magnetyczne wbijao si w otwart do, a cztery wy-prostowane palce wskazyway kierunek przepywu prdu w przewodniku. Ww-czas odgity kciuk wskazuje kierunek i zwrot siy z jak pole magnetyczne od-dziaywuje na przewodnik z prdem.rdem pola magnetycznego moe by nie tylko widoczny na filmiku mag-

B

B B

F

F1

v F1

v

F1

vF1

v

F1

v F1

v

F1

v F1

v

I - natenie prdu

+-

Rys.11.12. Na przewodnik, w ktrym pynie pynie prd, po umieszczeniu go w polu magnetycznym dziaa sia elektrodynamiczna

obszar jednorodnego pola magnetycznego

Rys. 11.12. Na przewodnik, w ktrym pynie prd, po umieszczeniu go w polu magnetycznym dziaa sia elektrodynamiczna

Rys. 11.14. Prostoliniowe przewodniki, w ktrych pyn prdy w t sam stron, przycigaj si wzajemnie

Rys. 11.15a. Schemat dziaania silnika elektrycznego na prd stay

Rys. 11.13. Regua lewej doni pozwala ustali kierunek i zwroty siy dziaajcej na przewodnik z prdem w polu magnetycznym

I1 I2

1 2

B1

F1B1

B2

B2

90

90

F2 L

r

Rys.11.14. Prostoliniowe przewodniki, w ktrych pyn prdy w t sam stron, przycigaj si wzajemnie

N

S

- +

J

J

F

F

B

B

1

2B

13

TEMAT 3

12

W chwili pocztkowej na ramk dziaa para si

1F

oraz

2F . Kierunki i zwroty tych si ustalone zo-stay przy uyciu reguy lewej doni. Siy te po-woduj obrt ramki. Gdy ramka ustawia si pro-stopadle do kierunku wyznaczonego przez pole magnetyczne, to komutator powoduje, e przez ramk nie przepywa prd elektryczny (Rys. 11.15 b)). Ramka poruszajc si z pewn prdkoci k-tow nie zatrzymuje si, lecz przechodzi przez ten punkt. Po przejciu ramki przez pooenie pio-nowe przez ramk zaczyna przepywa prd elek-tryczny. Ale zauwaamy, e jego kierunek w ka-dej ramce jest teraz przeciwny do pocztkowego (Rys. 11.15 c)). Jest to moliwe dziki zastosowa-niu komutatora. Kierunki i zwroty si dziaajcych na ramk powoduj jej dalszy obrt. W rzeczywi-stych silnikach elektrycznych kada ramka skada si z wielu zwojw, a ramek jest taka ilo, eby w kadym pooeniu wirnika wzgldem stojana siy powodujce obrt wirnika byy podobne.

Podsumowanie

Na przewodnik z prdem w polu magnetycznym dziaa si elektrodynamiczna o wartoci, ktr mona obliczy ze wzoru:

= F B I l sinDziaanie pola magnetycznego na przewodnik z prdem jest podstaw dziaania silnikw elek-trycznych.

W Internecie

Na stronie internetowej Hands-On Uniwerse mona znale (w zakadce wiczenia) sposb wykonania prostego modelu silnika elektrycznego na prd stay.

Temat 4Zjawisko indukcji elektromagnetycznej

Wstp

W roku 1820 duski uczony Hans Ch. erted odkry, e wok przewodnika, w ktrym pynie prd elektryczny powstaje pole magnetyczne. Jaki czas pniej pewien naukowiec z Anglii pr-bowa stwierdzi istnienie sytuacji odwrotnej. Prbowa uzyska prd elektryczny w obecnoci pola magnetycznego. W roku 1831 udao mu si doprowadzi do uzyskania prdu elektrycznego w obwodzie umieszczonym w zmieniajcym si polu magnetycznym. Naukowiec ten nazywa si Michael Faraday. Temat niniejszy jest powicony odkryciu powstawania prdw indukcyjnych.Przeledmy proste dowiadczenia bdce powtrzeniem eksperymentw przeprowadzonych przez M. Faradaya.

Dowiadczenie 1

Na rysunku 11.16. przedstawiono schemat ukadu dowiadczalnego. Zwojnica jest podczona do czuego miernika, ktry mierzy warto na-tenia prdu oraz wskazuje kierunek jego prze-pywu. W pobliu zwojnicy znajduje si nieru-chomy magnes trway. Magnes ten moe si przemieszcza wzgldem zwojnicy.

Wyniki dowiadczenia1. Gdy magnes jest nieruchomy wzgldem

zwojnicy, to miernik nie wskazuje prze-pywu prdu elektrycznego.

2. Gdy magnes porusza si wzgldem zwoj-nicy, to miernik wskazuje przepyw prdu.

3. Im ruch magnesu wzgldem zwojnicy jest szybszy, tym warto natenia prdu wskazywanego przez miernik jest wiksza.

4. Gdy zmienia si zwrot ruchu magnesu, to zmienia si kierunek pynicia prdu elektrycznego w zwojnicy.

Dowiadczenie 2.

Wprowadzamy pewn zmian w ukadzie pomia-rowym z poprzedniego dowiadczenia. Zamiast magnesu trwaego wprowadzamy drug zwoj-nic. Druga zwojnica jest podczona do rda prdu staego (Rys. 11.17.).

Wyniki dowiadczenia.1. Podobnie jak poprzednio nieruchome

wzgldem siebie zwojnice nie powo-duj powstawania prdu elektrycznego w zwojnicy 1.

2. Gdy zmieniamy natenie prdu (na przy-kad przez wczanie i wycznie zasilania zwojnicy 2), to w zwojnicy 1 stwierdzamy pynicie prdu elektrycznego.

Rys. 11.15c. Schemat dziaania silnika elektrycznego na prd stay

Rys. 11.17. Schemat ukadu dowiadczalnego do badania powstawania prdw indukcyjnych

Rys. 11.16. Schemat ukadu dowiadczalnego do badania zjawiska indukcji elektromagnetycznej

Rys. 11.15b. Schemat dziaania silnika elektrycznego na prd stay

MIERNIK

ZWOJNICA

MAGNESTRWAY

NS

Rys.11.16. Schemat ukadu dowiadczalnego do badania zjawiska indukcji elektromagnetycznej

MIERNIKWCZNIK

ZWOJNICA

RDO PRDU STAEGO

ZWOJNICA1 2

Rys.11.17. Schemat ukadu dowiadczalnego do badania powstawania prdw indukcyjnych

N

S

- +

J

J

F

F

B

B

1

2

B

N

S

- +

B

B

1

2

B

TEMAT 4 ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAgNETYCZNEJ

1514

3. Gdy natenie prdu zasilajcego zwojnic 2 ronie prd powstajcy w zwojnicy 1 pynie w jed-nym kierunku, a gdy natenie prdu zasilajcego zwojnic 2 maleje, to kierunek prdu powsta-jcego w zwojnicy 1 zmienia si.

Z obu dowiadcze pyn nastpujce wnioski. Stae pole magnetyczne nie powoduje powstawania prdu elektrycznego. Prd elektryczny powstaje w obwodzie, ktry znajduje si w obszarze zmieniaj-cego si pola magnetycznego. Taki prd elektryczny nazywamy prdem indukcyjnym. Opisujc prawa przepywu prdu elektrycznego zdefiniowalimy pojcie siy elektromotorycznej rda. W przypadku prdw indukcyjnych te mona takie pojcie wprowadzi. Sia elektromotoryczna indukcji elektromag-netycznej jest to praca przypadajca na jednostk adunku elektrycznego, ktrej wykonanie powoduje ruch tego adunku w przewodniku umieszczonym w zmieniajcym si polu magnetycznym.

Prawo indukcji M. Faradaya:Warto siy elektromotorycznej indukcji w obwodzie znajdujcym si w polu magnetycznym jest wprost proporcjonalna do szybkoci zmian strumienia indukcji magnetycznej pola obejmu-jcego ten obwd.

=

tJednostk siy elektromotorycznej indukcji jest [V] (wolt).eby zrozumie zapis prawa indukcji musimy wy-jani pojcie strumienia indukcji magnetycznej. Strumie indukcji magnetycznej mona sobie wy-obrazi jako linie pola magnetycznego przepy-wajcego przez pewn powierzchni (Rys. 11.18.).

Powierzchni reprezentuje wektor

S . Wektor ten jest prostopady do powierzchni, a jego dugo jest proporcjonalna do wielkoci powierzchni. Gdy powierzchnia S jest ustawiona prostopadle do pola magnetycznego, to strumie indukcji przechodzcej przez t powierzchni wynosi

= B S . Gdy powierzchnia S jest ustawiona rwnolegle do linii pola magnetycznego, to stru-mie indukcji jest rwny zero. Wyraenie, z kt-rego mona obliczy warto strumienia indukcji magnetycznej:

= B S cosgdzie: B warto indukcji magnetycznej pola magnetycznego,S pole powierzchni, przez ktre przechodzi pole magnetyczne,

kt midzy wektorem indukcji magnetycznej

B a wektorem powierzchni

S

Jednostk strumienia indukcji magnetycznej jest [Wb] (weber). 1 22

Wb T m kg mC s

= =

W prawie indukcji Faradaya wystpuje znak . Znak ten mona interpretowa jako informacje, e sia elektromotoryczna spowoduje przeciwdziaanie zmianom strumienia indukcji magnetycznej, ktra bya przyczyn jej powstania. T regu przekory, dziki ktrej bdzie mona wyznaczy kierunki prdw in-dukcyjnych nazywamy regu Lenza.

Regua LenzaKierunek prdu indukcyjnego jest taki, e pole magnetyczne powstajce wok tego prdu przeciw-dziaa przyczynie, ktra go wywoaa.Uyjmy tej reguy do ustalenia kierunku prdu indukcyjnego w nastpujcym przypadku. Zwojnica jest poczona z miernikiem, ktry wskae warto oraz kierunek przepywu prdu indukcyjnego (Rys. 11.19.). Do zwojnicy zblia si biegunem S magnes trway. W zwojnicy powstanie prd indukcyjny, kt-rego przyczyn powstania jest zbliajcy si magnes. Wok prdu indukcyjnego pyncego w zwojnicy powstaje pole magnetyczne. Pole to ma biegun S ze strony zbliajcego si magnesu trwaego. W ten sposb pole magnetyczne powstajce wok prdu indukcyjnego odpycha zbliajcy si magnes trway. Aby lepiej utrwali poznan regu polecamy przeledzi symulacj dostpn w pliku:

Patrz symulacja: Zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Podsumowanie

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej polega na wytwarzaniu prdu elektrycznego w obwodzie pod wpywem zmian pola magnetycznego obejmujcego ten obwd.

Prawo indukcji M. Faradaya:Warto siy elektromotorycznej indukcji w obwodzie znajdujcym si w polu magnetycznym jest wprost proporcjonalna do szybkoci zmian strumienia indukcji magnetycznej pola obejmujcego ten obwd.

=

t

Regua LenzaKierunek prdu indukcyjnego jest taki, e pole magnetyczne powstajce wok tego prdu przeciw-dziaa przyczynie, ktra go wywoaa.

90

90

powierzchnia S

= B S

= 0

Rys.11.18 Strumie indukcji magnetyczej przechodzcy przez powierzchni S

B

B

B

B

B

B

S

B

B

Rys. 11.18 Strumie indukcji magnetyczej przechodzcy przez powierzchni S

Rys. 11.19. Ustalanie kierunku przepywu prdu indukcyjnego

SN

MIERNIK

POLE MAGNETYCZNEPOWSTAJCE WOKPRDU INDUKCYJNEGO

POLE MAGNETYCZNE

MAGNESU TRWAEGO

ZWOJNICA

ZBLIANIE MAGNESU

Rys.11.19. Ustalanie kierunku przepywu prdu indukcyjnego

NS

PRDNICA PRDU PRZEMIENNEgO

1716

Temat 5Prdnica prdu przemiennego

Wstp

Pewien minister zajmujcy si sprawami finansowymi w rzdzie brytyjskim zapyta odkrywc zjawiska indukcji elektromagnetycznej, Michaela Faradaya, o to, co ludzko bdzie miaa z jego odkrycia. M. Faraday odpar, e nie wie, ale na pewno bdzie trzeba za to paci podatki. W roku 2014 stawka podatku VAT na energi elektryczn w Polsce dla odbiorcw indywidualnych wynosi 22%. W temacie tym bdziemy si zajmowa wyjanianiem tego jak elektrownie robi prd.Podstaw dziaania prdnic jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Prd elektryczny mona uzna za form przekazu energii. Wic aby postaa ta forma energii naley do jej powstania zuy inn form energii. Ju analiza kierunkw pynicia prdw indukcyjnych z reguy Lenza powinna nas przekona o tym, e zblianie magnesu do zwojnicy wymaga wykonania pracy. Bowiem pola magnetyczne magnesu trwaego oraz pole magnetyczne powstajce wo-k prdu indukcyjnego odpychaj si wzajemnie.Na rysunku 11.20 przedstawiono prosty model prdnicy prdu przemiennego. Obudow (stojan) tworzy magnes trway. W polu magnetycznym tego magnesu znajduje si ramka z drutu. Ramka ta jest zamocowana w taki sposb, e za pomoc korby mona j wprawia w ruch wirowy. Niech w chwili pocztkowej ramka bdzie ustawiona prostopadle do linii pola magnetycznego. Stru-mie indukcji magnetycznej przechodzcy przez ramk wynosi wwczas = B S . Gdy w wyniku dziaania zewntrznej siy ramka zacznie si obra-ca, to zmieni si strumie indukcji magnetycznej obejmowany przez ramk. W wyniku zjawiska in-dukcji elektromagnetycznej w ramce zacznie py-n prd indukcyjny (Rys. 11.20 b)). Po przejciu przez pooenie, w ktrym ramka jest rwnolega do linii pola magnetycznego zmienia si kierunek pynicia prdu indukcyjnego (Rys. 11.20. c)). Po-wstawanie prdu indukcyjnego mona przele-dzi analizujc symulacj pracy prdnicy w po-niszym pliku:

Patrz symulacja: Prdnica prdu przemien-nego.Zmiany strumienia indukcji magnetycznej zacho-dzce w prdnicy s w jednostce czasu do due, wic prawo indukcji Faradaya dla prdnicy mona zapisa w postaci pochodnej strumienia po czasie:

= ddt

Ramka prdnicy obraca si ze sta prdkoci ktow , wic kt midzy kierunkiem pola magnetycznego oraz kierunkiem wektora po-wierzchni zmienia si zgodnie ze wzorem: = t.

Strumie indukcji magnetycznej obejmowany przez ramk prdnicy zmienia si w czasie w sposb opi-sany rwnaniem:

( )= B S tcos .Wstawiajc to wyraenie do wzoru na warto siy elektromotorycznej otrzymamy:

= ( )d B S ( t)dtcos

Rozwizujc powysz pochodn otrzymamy: = B S sin( t)

W prdnicach ramka skada si z wielu zwojw, wic cakowit si elektromotoryczn powstajc w ramce mona obliczy ze wzoru:

= N B S sin( t) gdzie: N ilo zwojw ramki prdnicy,B warto indukcji magnetycznej pola wytworzonego przez stojan,S pole powierzchni ramki, warto prdkoci ktowej ramki.Warto prdkoci ktowej ramki mona wyznaczy z wyraenia: = 2 f, gdzie f czstotliwo obrotu ramki. Maksymaln warto (amplitud) siy elektromotorycznej powstajcej w ramce mona zapisa wzorem:

O = N B S Wwczas warto siy elektromotorycznej powstajcej w prdnicy, ktrej ramka obraca si z czstotli-woci f mona zapisa w nastpujcy sposb:

= O sin(2 f t)Gdy mona zaniedba opr wewntrzny prdnicy jej sia elektromotoryczna bdzie rwna napiciu na jej zaciska:

U = U0 sin(2 f t)Na rysunku 11.21 przedstawiono wykres zmian napicia na zaciskach prdnicy prdu przemiennego. Jak atwo zauway zmienia si nie tylko warto napicia, ale rwnie jego znak. Mona sobie wyob-razi, e warto dodatnia napicia jest wtedy, gdy na zacisku A prdnicy jest plus, a na zacisku B mi-nus. Wwczas przez odbiornik podczony do prdnicy popynie prd oznaczony na rysunku kolorem niebieskim. Gdy znaki na zaciskach prdnicy zmieni si, to przez odbiornik popynie prd w przeciw-nym kierunku.

Rys. 11.20A. Schemat dziaania prdnicy prdu przemiennego.

NS

V

Rys. 11.20B. Schemat dziaania prdnicy prdu przemiennego.

NS

V

Rys. 11.20C. Schemat dziaania prdnicy prdu przemiennego.

NS

V

Rys. 11.20c. Schemat dziaania prdnicy prdu przemiennego.

Rys. 11.21. Wykres zmian napicia na zaciskach prdnicy prdu przemiennego.

Rys. 11.20b. Schemat dziaania prdnicy prdu przemiennego.

Rys. 11.20a. Schemat dziaania prdnicy prdu przemiennego.

U0

- U0

U [V]

2ft [rad]

PA B

-

-

+

+

Rys.11.21. Wykres zmian napicia na zaciskach prdnicy prdu przemiennego.

rdem energii elektrycznej w polskich sieciach energetycznych s prdnice prdu przemiennego za-instalowane w elektrowniach. Prdnice wszystkich elektrowni podczonych do sieci musz by ze sob zsynchronizowane. To znaczy musz mie t sam czstotliwo zmian napicia (wynosi ona 50Hz) oraz w tych samych momentach czasu wartoci napicia musz osiga swoje maksymalne wartoci. Energia elektryczna wytworzona w danym momencie musi by w tym samych czasie odebrana przez odbior-

19

TEMAT 5

18

cw. To jest przyczyn powodujc, e elektrownie sprzedaj energi elektryczn w niszych cenach w okresach zmniejszonego zapotrzebowania na ni. I jest rwnie odpowiedzi na pytanie, dlaczego elektrownie wiatrowe w Polsce nie mog zapewni bezpieczestwa energetycznego (bo co bdzie rdem energii w momentach, w ktrych wiatr nie wieje).

Podsumowanie

Podstaw dziaania prdnic jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej.Sia elektromotoryczna prdnicy prdu przemiennego:

= N B S sin( t)Czstotliwo zmian napicia w polskich sieciach energetycznych wynosi 50Hz.

Temat 6Prd przemienny. Transformator

Wstp

Zapewne wielu z was zastanawiao si, dlaczego midzy elektrowni a odbiorc energii elek-trycznej jest linia wysokiego napicia. Czy nie mona by przesya energii elektrycznej pod na-piciem 230V uywanym w domach? W temacie tym wyjanimy te rol transformatorw w pro-cesie zmian napicia i natenia prdu przemiennego.Napicie na zaciskach prdnicy prdu przemiennego mona obliczy ze wzoru:

U = U0 sin(2 f t)Gdy do prdnicy podczymy odbiornik o opo-rze R (Rys. 11.22), to popynie przez niego prd o nateniu:

I UR

=

Wstawiajc do powyszego wzoru wyraenie na napicie na zaciskach prdnicy otrzymamy:

= ( )I UR

f t0 2sin

Wyraenie UR

I0 0= jest amplitud natenia

prdu, wic natenie prdu pyncego przez od-biornik mona wyrazi wzorem:

I = I0 sin(2 f t)Wykres natenia prdu przemiennego przedstawia rysunek 11.23. Prd przemienny zmienia nie tylko warto, ale rwnie kierunek przepywu.

I0

- I0

I [A]

2ft [rad]

PA B

-

-

+

+

Rys.11.23. Wykres zmian natenia prdu pyncego w obwodzie podczonym do prdnicy prdu przemiennego

P

R

U

I

chwilowy kierunekprzepywu prdu

Rys.11.22. Gdy do prdnicy podczymy odbiornik, w obwodzie popynie prd elektryczny o nateniu I

Rys. 11.22. Gdy do prdnicy podczymy odbiornik, w obwo-dzie popynie prd elektryczny o nateniu I

Rys. 11.23. Wykres zmian natenia prdu pyncego w obwodzie podczonym do prdnicy prdu przemiennego

TEMAT 6 PRD PRZEMIENNY. TRANSFORMATOR

2120

Moc prdu przemiennegoJak pamitacie z tematw powiconych prdowi staemu moc prdu elektrycznego mona obliczy ze wzoru P = U I. Wstawiajc do tego wzoru wy-raenia na napicie oraz natenie prdu prze-miennego otrzymamy:

( )= ( )2 2n sP U f t I f t 0 0si in ,lub:

P = U0 I0 sin2(2 f t)

Pamitajc o tym, e U0 = I0 R otrzymamy:= ( )P R I f t02 2 2sin

Sporzdmy wykres mocy wydzielonej na odbior-niku w zalenoci od czasu (Rys. 11.24.).Jak mona zauway z wykresu moc wydzie-lona na odbiorniku podczas przepywu prdu przemiennego zmienia si. Pamitajmy jednak, e zmiany natenia prdu pyncego przez od-biornik s stosunkowo szybkie. Czstotliwo tych zmian w polskich sieciach energetycznych wynosi 50 Hz, czyli ich okres jest rwny 0,02s. Odbior-niki energii elektrycznej s z reguy podczone do sieci znacznie duej ni wynosi okres zmian natenia prdu przemiennego. Wyznaczmy wic redni moc wydzielon na odbiorniku. Najatwiej bdzie to uczyni korzystajc z wykresu (Rys. 11.25.). Podzielmy wykres mocy na poow po-ziom lini. Mona wwczas zauway, e grne powki wykresu idealnie pasuj do dolnych. Uzy-skamy w ten sposb wykres mocy pewnego prdu staego o nateniu IST. Jak mona odczyta z wy-kresu moc wydzielona na odbiorniku o oporze R przez ten prd stay jest rwna liczbowo redniej mocy wydzielonej przez prd przemienny o amplitu-dzie natenia I0:

=P R I R ISR = 12 0

2 2ST

Z powyszego rwnania otrzymamy:

= =I I IST SK02

DefinicjaNatenie skuteczne prdu przemiennego ISK o amplitudzie I0 odpowiada takiej wartoci prdu staego, e moc wydzielona podczas pynicia obu prdw w jednakowych warunkach jest taka sama.W podobny sposb mona zdefiniowa napicie skuteczne prdu przemiennego:

U UST = 02W naszych domach napicie skuteczne wynosi 230V.

TransformatorTransformator to urzdzenie, dziki ktremu mona podwysza i obnia napicie prdu przemiennego. Na rysunku 11.26. przedstawiono schemat budowy transformatora. Uzwojenie pier-wotne oraz wtrne s odizolowane elektrycznie od rdzenia. Rdze wykonany jest z ferromagne-tyka mikkiego, czyli takiego ktry mona atwo magnesowa i rozmagnesowa. Rdze skada si w wielu cienkich blaszek odizolowanych elek-trycznie od siebie. Ma to zapobiega powsta-waniu prdw indukcyjnych wewntrz rdzenia. Zakadamy, e w omawianym modelu transfor-matora obwody pierwotny i wtrny maj zanie-dbywalnie mae opory elektryczne oraz nie wy-stpuj straty energii w zwizku z powstawaniem prdw indukcyjnych w rdzeniu. Gdy do uzwojenia pierwotnego podczymy rdo prdu przemien-nego, to wok tego uzwojenia oraz w rdzeniu powstanie zmieniajce si w czasie pole magnetyczne. Na rysunku zaznaczono chwilowy zwrot wektora indukcji magnetycznej tego pola. Zmienne pole mag-netycznego jest obejmowane przez uzwojenie wtrne. W wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycz-nej w uzwojeniu tym powstaje sia elektromotoryczna indukcji. Pamitajc o tym, e opory elektryczne obu uzwoje s do pominicia mona zapisa wzr na przekadni transformatora:

1

2

1

2

NN

UU

=

Napicie U2 na uzwojeniu wtrnym jest tyle razy wiksze od napicia U1 na uzwojeniu pierwotnym, ile razy wicej uzwoje N2 ma uzwojenie wtrne ni uzwoje N1 uzwojenie pierwotne.

Gdy 12 NN > , to 12 UU > , czyli transformator podwysza napicie. Gdy 12 NN < , to 12 UU < , czyli transformator obnia napicie. Zakadajc, e mamy do czynienia z idealnym transformatorem (czyli transformatorem, ktry nie ma strat energii) moemy zapisa, e moc dostarczona do uzwojenia wtr-nego jest rwna mocy wydzielonej na uzwojeniu wtrnym:

21 PP =

Wic: 2211 IUIU =Z powyszego wzoru wynika, e transformator, ktry podnosi napicie jednoczenie obnia natenie. Z praw przepywu prdu elektrycznego wynika, e ciepo wydzielone na oporniku jest proporcjonalne do kwadratu natenia przepywajcego przez ten opornik prdu elektrycznego. Przesyajc energi elektryczn na due odlegoci zaley nam na ograniczaniu strat energii. Dlatego buduje si linie prze-syowe pracujce pod wysokim napiciem. W poniszym pliku znajduje si opis dowiadczenia, w kt-rym wyznacza si przekadni szkolnego modelu transformatora.

Patrz: Dowiadczenie 1. Badanie przekadni transformatora.

Podsumowanie

Natenie skuteczne prdu przemiennego ISK o amplitudzie I0 odpowiada takiej wartoci prdu staego, e moc wydzielona podczas pynicia obu prdw w jednakowych warunkach jest taka sama:

I ISK = 02Przekadnia transformatora:

1

2

1

2

NN

UU

=

P [W]

2 ft [rad]

Rys.11.24. Wykres zmian mocy wydzielonej na odbiorniku podczonym do prdnicy prdu przemiennego

Rys. 11.24. Wykres zmian mocy wydzielonej na odbiorniku podczonym do prdnicy prdu przemiennego

Rys. 11.25. Sposb wyznaczania redniej mocy wydzie-lonej na odbiorniku podczonym do rda prdu prze-miennego

Rys. 11.26. Schemat budowy transformatoraP [W]

P [W]

2ft [rad]

2ft [rad]

12

12

st

Rys.11.25. Sposb wyznaczania redniej mocy wydzielonej na odbiorniku podczonym do rda prdu przemiennego

u1

N1 N2

B

u2

RDZE TRANSFORMATORA

UZWOJENIEWTRNE

UZWOJENIEPIERWOTNE

Rys.11.26. Schemat budowy transformatora

PRD PRZEMIENNY. TRANSFORMATOR

2322

Temat 7Dioda jako prostownik

Wstp

Telefony komrkowe i laptopy s przykadami urzdze, ktre posiadaj zasilanie w postaci akumulatora. Akumulatory tych urzdze s adowane za porednictwem adowarek podczonych do sieci prdu przemiennego. W temacie tym wyjanimy jak to si dzieje, e urzdzenie pracujce na prd stay moe by podczone do prdu przemiennego.Obecnie najczciej do ukadw prostowni-czych uywa si diod pprzewodnikowych. Nim przejdziemy do prostowniczego dziaania diody omwimy schemat budowy wewntrznej pprzewodnikw. Przykadem pprzewodnika jest krzem. Jego sie krystaliczna zbudowana jest w taki sposb, e kady z czterech elektro-nw walencyjnych jednego atomu krzemu bie-rze udzia w wizaniu kowalencyjnym z jednym z elektronw walencyjnych ssiedniego atomu (Rys. 11.27.). W niskich temperaturach w sieci kry-stalicznej krzemu nie ma swobodnych elektronw, wic krzem nie przewodzi prdu elektrycznego. Gdy temperatura krzemu ronie, to niektre elek-trony otrzymuj energi umoliwiajca wyrwa-nie si z wizania. Po takim elektronie powstaje dziura, do ktrej moe przeskoczy inny elektron. W takim pprzewodniku nonikami prdu mog by zarwno elektrony, jak i miejsca po elektro-nach dziury. Im temperatura pprzewodnika jest wysza, tym wicej elektronw moe zosta oderwanych od swoich atomw. Czyli im wysza temperatura pprzewodnika, tym w jego sieci krystalicznej jest wicej nonikw prdu, czyli jego opr elektryczny maleje. Opisany powyej pprzewodnik nazywamy samoistnym.Gdy do struktury krystalicznej pprzewodnika wprowadzi si atomy rnice si wartocio-woci, to otrzymamy pprzewodnik domiesz-kowany. Na przykad czterowartociowy krzem mona domieszkowa piciowartociowym fosfo-rem. Cztery elektrony walencyjne atomu fosforu bd bray udzia w wizaniach walencyjnych, a pity bdzie mg si przemieszcza w sieci krystalicznej pprzewodnika stanowic nonik adunku (Rys. 11.28.). Pprzewodnik taki nazy-wamy pprzewodnikiem typu n.Gdy do struktury krystalicznej krzemu wprowadzimy atomy trjwartociowego aluminium, to otrzy-mamy pprzewodnik typu p (Rys. 11.29.). W takim pprzewodniku bdzie brakowa jednego elek-

tronu do uzupenienia wizania kowalencyjnego. Ten brakujcy elektron nazywamy dziur. Dziura moe si przemieszcza w sieci krystalicznej gdy ssiedni elektron przeskoczy na jej miejsce. Dziury przemieszczaj si w odwrotnym kierunku ni elektrony.Poczone ze sob pprzewodniki typu n oraz typu p stanowi diod pprzewodnikow. Po ze-tkniciu si warstw pprzewodnikw nastpuje naturalny proces dyfuzji elektronw z obszaru n do obszaru p, oraz dziur z obszaru p do obszaru n. W wyniku tego procesu w warstwie n pozostaj dodatnie jony atomw domieszki piciowarto-ciowej, a warstwie p ujemnie jony domieszki trj-wartociowej. Powstaje w ten sposb cienka war-stwa zaporowa, przez ktr nie mog przepywa adunki elektryczne (Rys. 11.30.).Gdy podczymy diod do zewntrznego rda napicia w sposb pokazany na rysunku 11.31.a) to nastpi przepyw adunkw przez diod. Gdy podczymy diod do zewntrznego rda na-picia w sposb pokazany na rysunku 11.31.b) to nastpi dalszy wzrost warstwy zaporowej i przez diod nie bdzie przepywa prd elek-tryczny. Oznacza, to e dioda umoliwia przepyw prdu tylko w jednym kierunku. Wasno t wy-korzystuje si do budowy ukadw prostowniczych.

Ukady prostowniczeNajprostszy ukad prostowniczy zawiera jedn diod (Rys. 11.32.). Napicie wejciowe jest sinusoidal-nie zmiennie. W obwodzie wtrnym transformatora znajduje si dioda. Powoduje ona, e przez opornik prd moe przepywa tylko w jedn stron.

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si Si

Rys.11.27. Pprzewodnik samoistnyRys. 11.27. Pprzewodnik samoistny

Rys. 11.28. Pprzewodnik typu n

Rys. 11.29. Pprzewodnik typu p

Rys. 11.30. Dioda

Rys. 11.31. Dioda spolaryzowna w kierunku: a) przewodze-nia, b) zaporowym

Rys. 11.32. Ukad prostowniczy z jedn diod.

Si Si Si P

P

P Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si Si

Rys.11.28. Pprzewodnik typu n

dodatkowy elektron

atom domieszki

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si Si

Si Si Si

Rys.11.29. Pprzewodnik typu p

AI

AI

AIatom domieszki

brakujcy elektron w wizaniu-dziura

p n

Rys.11.30. Diodap n

p n

a)

b)

Rys.11.31. Dioda spolaryzowna w kierunku: a) przewodzenia b) zaporowym

Rys.11.32. Ukad prostowniczy z jedn diod.

Uwe Uwy

Uwy

transformator dioda

opor

nik

t

Uwy

t

2524

Aby uzyska bardziej pynne napicie po przejciu przez prostownik stosuje si ukad skadajcy si z czterech diod (Rys. 11.33.). Zamy, e zmieniajce si sinusoidalnie napicie na uzwojeniu wtrnym transformatora ma w pewnym momencie znak plus u gry rysunku. Wwczas przez ukad diod bdzie pyn prd zaznaczony kolorem fioletowym. Gdy napicie zmieni si na przeciwne przez ukad pynie prd zaznaczony kolorem niebieskim. Jak atwo zauway przez opornik prd pynie zawsze w tym sa-mym kierunku. Std napicie na jego kocach zmienia si w sposb przedstawiony na wykresie. Dla uzyskania jeszcze bardziej wygadzonego przebiegu napicia w ukadach prostowniczych stosuje si jeszcze kondensatory.

Podsumowanie

Dioda to element pprzewodnikowy zbudowany z poczonych ze sob pprzewodnikw typu n oraz typu p. Przez diod prd przepywa tylko w jednym kierunku. Diody mona stosowa do budowy uka-dw prostowniczych.

Uwe

Uwy

Uwy

transformator ukad diod

opornik

t

Uwy

t

Rys.11.33. Ukad prostowniczy skadajcy si z czterech diod.

Rys. 11.33. Ukad prostowniczy skadajcy si z czterech diod.

26

Czowiek - najlepsza inwestycja

Projekt wspfinansowany przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego