01 · SIŁA LORENTZA
Prąd w polu magnetycznym czuje siłę
Na każdy elektron płynący w przewodzie pole magnesu działa siłą Lorentza. Wszystkie te drobne siły sumują się w siłę elektrodynamiczną, która pcha cały przewód. Gdy przewód jest prostopadły do linii pola:
F=B·I·L
B — indukcja magnetyczna [T], I — natężenie prądu [A], L — długość przewodu w polu [m]. Gdy przewód biegnie ukośnie, siła maleje: F = B·I·L·sin α.
Reguła lewej dłoni: ustaw lewą dłoń tak, by linie pola wchodziły w jej wnętrze, a cztery palce wskazywały kierunek prądu — odchylony kciuk pokaże kierunek siły. Odwróć prąd albo magnes, a siła zmieni zwrot; odwróć oba — zostanie ten sam.
02 · SILNIK PRĄDU STAŁEGO
Komutator i SEM wsteczna
Na dwa boki ramki działają siły o przeciwnych zwrotach — powstaje moment siły, który obraca ramkę (twornik):
M=N·B·I·A·sin θ
θ — kąt między prostopadłą do ramki a liniami pola, A — pole powierzchni ramki, N — liczba zwojów. Po pół obrotu sin θ zmienia znak i ramka zaczęłaby się cofać. Komutator — pierścień rozcięty na dwie części — dokładnie wtedy odwraca prąd w ramce, więc moment ma stale ten sam zwrot: M = N·B·I·A·|sin θ|.
Obracająca się ramka sama jest prądnicą: indukuje się w niej SEM wsteczna ε, skierowana przeciw zasilaniu. Prąd
I=U − εR
maleje, gdy silnik przyspiesza — dlatego silnik ma prędkość maksymalną. Zablokowany silnik (ε = 0) pobiera największy prąd U/R i szybko się grzeje.
03 · PRĄDNICA
Zmienny strumień daje napięcie
Strumień magnetyczny mówi, ile linii pola przechodzi przez ramkę. Gdy ramka obraca się z prędkością kątową ω:
Φ=B·A·cos ωt
Zgodnie z prawem Faradaya zmiana strumienia indukuje napięcie (SEM):
ε=−N·ΔΦΔt=N·B·A·ω·sin ωt
Amplituda εmax = N·B·A·ω rośnie z liczbą zwojów, siłą magnesu i prędkością. Napięcie jest największe, gdy strumień jest zerowy, bo wtedy zmienia się najszybciej. Pierścienie ślizgowe dają prąd przemienny, a komutator co pół obrotu zamienia końce ramki i daje prąd tętniący jednego kierunku.
04 · FARADAY I LENZ
Magnes, cewka i przekora natury
Napięcie powstaje tylko wtedy, gdy strumień się zmienia — magnes leżący nieruchomo w cewce nie daje nic. Im szybszy ruch i więcej zwojów, tym większe wychylenie galwanometru:
ε=−N·ΔΦΔt
Reguła Lenza (to ona stoi za minusem we wzorze): prąd indukowany płynie tak, by jego pole przeciwdziałało zmianie, która go wywołała. Zbliżasz biegun N — cewka wystawia naprzeciw swój biegun N i odpycha magnes. Oddalasz — wystawia S i go przytrzymuje. Dlatego wytworzenie prądu zawsze wymaga pracy.