Sila na provodnik u magnetnom polju
- Objasniti zašto magnetno polje djeluje silom na provodnik kroz koji prolazi struja.
- Izračunati iznos sile pomoću formule F = B·I·l kada su polje i provodnik međusobno okomiti.
- Odrediti smjer sile pravilom lijeve ruke i objasniti kako se smjer može promijeniti.
- Objasniti rad elektromotora i primjene u ventilatoru, bušilici i zvučniku.
1. Kada magnetno polje djeluje silom na provodnik?
U prethodnoj lekciji vidjeli smo da struja stvara magnetno polje. Postoji i obrnuta strana te veze: vanjsko magnetno polje djeluje silom na provodnik kroz koji prolazi struja. Ta pojava se zove magnetna sila na provodnik, a prvi ju je detaljno ispitao André-Marie Ampère.
Oprema za pokazivanje je jednostavna: dva jaka magneta s polovima okrenutim jedan prema drugom daju homogeno polje, a između njih visi savitljiva žica kroz koju puštamo struju. Kada struju uključimo, žica se otkloni iz ravnotežnog položaja. Isključimo li struju, žica se vrati nazad.
Iz toga slijede tri uslova bez kojih sile nema:
- Mora postojati magnetno polje — bez polja nema djelovanja.
- Mora postojati struja — bez struje provodnik se ne pomjera.
- Provodnik ne smije biti paralelan s poljem — ako struja teče tačno duž linija polja, sila je nula.
Silu osjećamo i kao posljedicu na sam provodnik: ako ga čvrsto držimo, on se ne pomjera, ali sila i dalje postoji. U tom smislu ova sila nije ništa neobično — i nju mjerimo u njutnima, kao i svaku drugu silu.
2. O čemu zavisi iznos sile: F = B·I·l
Mjerenja pokazuju jasnu pravilnost. Ako je provodnik okomit na linije polja, iznos sile je srazmjeran magnetnoj indukciji, jačini struje i dužini dijela provodnika koji se nalazi u polju:
Značenje oznaka: F je magnetna sila u njutnima (N), B je magnetna indukcija u teslama (T), I je jačina struje u amperima (A), a l je dužina provodnika u polju, u metrima (m). Iz formule slijedi i jedinica: 1 N = 1 T · 1 A · 1 m.
Ako provodnik nije okomit na polje, sila je manja. Za ugao α između provodnika i linija polja vrijedi opštiji izraz:
Najveća sila je pri α = 90° (sin 90° = 1), a pri α = 0° sila je nula jer se provodnik poklapa sa smjerom polja. U zadacima u ovoj lekciji ugao je uvijek 90°, pa koristimo kraću formulu.
| Veličina | Kako utiče na silu | Ako je udvostručimo |
|---|---|---|
| Magnetna indukcija B | srazmjerno | sila se udvostruči |
| Jačina struje I | srazmjerno | sila se udvostruči |
| Dužina provodnika l u polju | srazmjerno | sila se udvostruči |
Obrati pažnju da je sila srazmjerna dužini dijela provodnika koji je u polju, a ne ukupnoj dužini žice. Dio koji je izvan polja ne doprinosi sili.
3. Pravilo lijeve ruke i elektromotor
Smjer sile nije proizvoljan. Određujemo ga pravilom lijeve ruke:
Postavi lijevu ruku tako da kažiprst pokazuje smjer magnetnog polja (B), a srednji prst smjer struje (I). Tada palac pokazuje smjer sile (F).
Kažiprst, srednji prst i palac stoje uzajamno okomito, pa pravilo daje sva tri smjera odjednom. Ako promijeniš samo jedan od njih — na primjer okreneš smjer struje — sila se okrene u suprotnom smjeru.
Elektromotor
Okvir sa strujom u magnetnom polju ima dvije strane kroz koje struja teče u suprotnim smjerovima, pa na njih djeluju sile u suprotnim smjerovima. Te dvije sile čine spreg sila i okvir se okreće. To je princip svakog elektromotora.
Da bi se okvir okretao stalno u istom smjeru, u pravom motoru postoji komutator — prsten razrezan na dva dijela s četkicama. Svakih pola obrtaja komutator zamijeni smjer struje u okviru, pa sila i dalje djeluje u smjeru obrtanja.
| Uređaj | Šta se u njemu kreće | Šta nastaje |
|---|---|---|
| Ventilator | namotaji rotora u polju statora | obrtanje elise i strujanje zraka |
| Bušilica, mikser | rotor motora | obrtni moment za rad |
| Zvučnik | zavojnica u polju trajnog magneta | kretanje membrane i zvučni talas |
| Vibracija telefona | mali ekscentrični motor | podrhtavanje kućišta |
Kod zvučnika je tok malo drugačiji: struja kroz zavojnicu se stalno mijenja zajedno sa zvukom, pa se sila na zavojnicu mijenja u istom ritmu. Zavojnica zato titra i pokreće membranu. Tako električni signal postaje zvuk.
4. Isprobaj: sila na provodnik
Mijenjaj magnetnu indukciju, struju i dužinu provodnika i prati iznos sile. Zatim okreni smjer magnetnog polja i pogledaj šta se dogodi sa silom. Dužina provodnika prati zadanu vrijednost; dužina strelice sile je šematska. Krstići označavaju polje koje ulazi u ravan crteža, a tačke polje koje izlazi iz nje.
Polje ulazi u ravan crteža, struja ide prema gore, pa sila djeluje ulijevo.
5. Korak po korak: od podataka do sile i smjera
Zadatak: „Provodnik dužine 0,5 m nalazi se u homogenom polju magnetne indukcije 0,6 T, okomito na linije polja. Kroz njega prolazi struja 4 A. Odredi iznos i smjer sile.“
6. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: izračunavanje iznosa sile i pronalaženje nepoznate veličine iz formule. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: iznos magnetne sile
Primjer 1: osnovni račun
Provodnik dužine 0,4 m nalazi se okomito na homogeno polje magnetne indukcije 0,8 T. Kroz njega prolazi struja 5 A. Kolika sila djeluje na provodnik?
Primjer 2: jače polje, duži provodnik
U polju magnetne indukcije 1,2 T nalazi se dio provodnika dužine 0,6 m. Struja iznosi 2,5 A. Izračunaj silu, ako je provodnik okomit na polje.
Primjer 3: samo dio provodnika je u polju
Provodnik ukupne dužine 0,9 m prolazi kroz polje, ali je u polju samo njegov dio od 0,25 m. Polje je 0,45 T, a struja 8 A. Kolika sila djeluje?
Tip 2: nepoznata veličina iz formule
Primjer 1: kolika struja daje traženu silu
Na provodnik dužine 0,5 m u polju od 0,5 T djeluje sila 2 N. Kolika je jačina struje? Provodnik je okomit na polje.
Primjer 2: kolika dužina provodnika
Sila na provodnik u polju od 0,4 T iznosi 0,6 N, a struja je 3 A. Koliki dio provodnika se nalazi u polju? Provodnik je okomit na polje.
Primjer 3: kolika je magnetna indukcija
Na provodnik dužine 0,6 m, kroz koji prolazi struja 4 A, djeluje sila 1,2 N. Provodnik je okomit na polje. Odredi magnetnu indukciju polja.
- Korištenje ukupne dužine žice. U formulu ide samo dužina dijela provodnika koji se nalazi u magnetnom polju.
- Zaboravljen ugao. F = B·I·l vrijedi samo pri α = 90°. Ako provodnik nije okomit na polje, treba pomnožiti sa sin α.
- Miješanje pravila lijeve i desne ruke. Desna ruka daje smjer polja oko struje, a lijeva ruka daje smjer sile na provodnik u polju.
- „Sila djeluje duž provodnika.“ Sila je okomita i na provodnik i na linije polja. Zato se provodnik pomjera bočno, a ne duž sebe.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Kako se mijenja sila na provodnik ako se jačina struje udvostruči, a B i l ostanu isti?
2. Kada magnetno polje NE djeluje silom na provodnik sa strujom?
3. Provodnik je okomit na polje od 2 T. Struja je 3 A, a dužina u polju 0,5 m. Kolika je sila?
4. Šta radi komutator u elektromotoru?
7. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
Podaci: B = 0,5 T, I = 6 A, l = 0,8 m, α = 90°. F = B·I·l = 0,5 · 6 · 0,8 = 2,4 N.
Silu udvostručujemo tako da udvostručimo bilo koju od tri veličine: magnetnu indukciju (jači magnet), struju (veći napon ili manji otpor) ili dužinu dijela provodnika u polju. Može i kombinacija, ali najjasnije je mijenjati jednu veličinu. Ako provodnik zakrenemo tako da bude paralelan s linijama polja, ugao je 0°, sin 0° = 0, pa sila padne na nulu: provodnik se više ne pomjera bočno, iako struja i polje postoje.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju i postavi dužinu provodnika na najmanju, a zatim na najveću vrijednost.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: sila magnetnog polja na provodnik sa strujom, pravilo lijeve ruke, elektromotor i primjene magnetne sile.
Oblast D, magnetizam. Oznake ishoda u izvoru: D.9.3. Predmetni kurikulum KS, 9. razred, oblast D, štampana stranica 26. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.