JanusBac
Janusz BaczyńskiFizyka
Pole magnetyczne - Zastosowania
Rozpatrzmy prosty obwód elektryczny. Dana jest siła elktromotoryczna E połączona kablem elektrycznym z odbiornikiem, który może być na przykład opornikiem o jakieś rezystncji R.
Rozpatrujemy połączenie przewodem dwużyłowym. Często taki kabel stanowią dwie żyły wykonane z dobrego przewodnika (np. miedzi) otoczonego izolatorem. Zatem taki kabel mogą stanowić dwa przewodniki prostoliniowe ułożone równolegle względem siebie. Izolatorem może być próżnia, powietrze, albo jakieś inne nieprzewodzące tworzywo. W układzie powyżej w obu przewodnikach płynie prąd elektryczny o takim samym natężeniu I, ale kierunki prądu w każdej z tych żył jest przeciwny.
Pole magnetyczne wokół prostoliniowego przewodnikaWiemy z fizyki, że prąd elektryczny w przewodniku wytwarza wokół niego pole magnetyczne. W przypadku nieskończenie długiego przewodnika prostoliniowego z prądem linie pola magnetycznego układają się w płaszczyźnie prostopadłej do tego przewodnika w okręgi o wspólnym środku. Zwrot linii tego pola magnetycznego określa się stosując regułę prawej dłoni lub regułę śruby prawoskrętnej (kciuk wskazuje kierunek prądu elektrycznego, reszta palców obejmująca przewodnik wskazuje kierunek linii pola magnetycznego). Na rysunku poniżej pokazano dwa równoległe przewodniki, w których w przeciwnych kierunkach płynie prąd o takim samym natężeniu I. Wokół tych przewodników powstaje powstaje pole magnetyczne o indukcji B (wektor indukcji B jest styczny do linii sił pola magnetycznego). Zgodnie z przytoczoną wyżej regułą prawej dłoni możemy stwierdzić, że zwrot wektorów indukcji B pól magnetycznych dla tych przewodników jest przeciwny.
Wartość wektora indukcji w każdym punkcie pola określa wzór podany na rysunku. We wzorze tym mamy:
B - wartość indukcji magnetycznej,
I - natężenie prądu elektrycznego w przewodniku,
µ - przenikalność magnetyczna próżni (zakładamy, że izolatorem jest próżnia),
r - odległość od przewodnika.
Jak widać wartość indukcji B zależy odwrotnie proporcjonalnie od odległości r od przewodnika punktu w którym wyznaczamy wyznaczamy wartość B.
Rozpatrzmy nieco dokładniej pole magnetyczne wokół układu dwu równolegle ułożonych przewdodów prostoliniowych, tak jak to pokazano na rysunku powyżej. Rozpatrujemy wyidealizowany przypadek, kiedy możemy założyć, że są to nieskończenie długie przewody ułożone w odległości d od siebie. Wokół każdego z przewodników powstaje pole magnetyczne na skutek przepływu przez ten przewodnik prądu elektryczego o takim samym natężeniu I. Wiemy już, że zwroty wektorów indukcji B tych pól będą przeciwne do siebie (pola się znoszą). Innymi słowy aby określić wypadkową wartość indukcji B w jakimś punkcie przestrzeni wokół tych przewodników, należy obliczyć stosowną różnicę:
Na diagramie powyżej mamy wykresy wartości indukcji B w funkcji odległości od takiego dwużyłowego kabla. Widać, że dla małych odległości r od kabla, porównywalnych z wzajemną odległością przewodów d, różnica B1 - B2 będzie miała wartość niezerową. Z wykresu widać, że mówimy tu o odległościach r ≲ 6d. Im dalej jednak od kabla, to coraz mniejsze są wartości B1 oraz B2 i jednocześnie B1 - B2 zdąża do zera.
Podsumowanie
Możemy sformułować taki oto praktyczny wniosek.
Jeśli w dwużyłowym kablu płaskim płynie prąd elektryczny (w każdej żyle o takim samym natężeniu I), to w odległościach porównywalnych z wzajemną odległością żył wykryjemy pole magnetyczne, a dla odległości większych niż około 6 odległości między żyłami pole magnetyczne będzie znikome (trudne do wykrycia).
Warto tu jeszcze przypomnieć, że na skutek zmian strumienia pola magnetycznego w przewodnikach powstaje siła elektromotoryczna. Mowa tu teraz o tak zwanej indukcji elektromagnetycznej. To może być bardzo niepożądane zjawisko w kablach elektrycznych służących na przykład do transmisji danych w systemach telekomunikacyjnych lub komputerowych.
 |
Rozpatrzmy kabel z dwiema parami przewodów elektrycznych. W parze po lewej płynie prąd elektryczny o zmiennym w czasie natężeniu I(t). Wiemy już, że wokól tej pary przewodów generowane jest pole magnetyczne. Druga para przewodów jest w bliskiej odległości od pierwszej, czyli pole magnetyczne w jakim się ona znajduje może mieć znaczące wartości. |
Natężenie prądu I(t) się zmienia w czasie, zatem strumień pola magnetycznego Φ(t) w jakim znajduje się para przewodów po prawej stronie, też się zmienia. Wystąpi więc zjawisko indukcji elektromagnetycznej w przewodach po prawej stronie. Powstanie w tych przewodach siła elektromotoryczna, która spowoduje przepływ prądu w tym obwodzie. Powiedziano już wyżej, że jest to bardzo niepożądane zjawisko, które może być przyczyną zakłóceń przy transmisji danych w różnego rodzaju systemach informatycznych.
Kabel elektryczny - skrętka
W sieciach komputerowych lub telekomunikacyjnych bardzo ważne jest aby media transmisyjne były jak najbardziej odporne na zakłócenia. W przypadku transmisji danych za pomocą kabli elektrycznych istotne jest aby one nie generowały silnych pól elektromagnetycznych, które to pola mogą indukować zakłócenia w innych przewdodach elektrycznych. Dlatego też, w liniach służąceych do przesyłania informacji bardzo często używany jest kabel nazywany skrętką (ang. twisted-pair cable). Skrętka to rodzaj kabla sygnałowego, który składa się z jednej lub większej ilości par przewodów skręconych ze sobą - patrzy rysunek poniżej.
Cztery pary skręconych przewodów dwużyłowych
Pole magnetyczne wokół przewodnika kołowego z prądem
Na rysunku poniżej pokazano jak układają się linie pola magnetycznego wokół przewodnika kołowego, w którym płynie prąd elektryczny. Przypomnę, że linie sił pola to są linie, do których wektor indukcji magnetycznej B jest styczny w każdym punkcie.
Zwrot wektora indukcji magnetycznej B jest zależny od kierunku prądu w przewodniku.
Tak jak i w przypadku przewodnika prostoliniowego, tutaj też obowiązuje reguła prawej dłoni pozwalająca określić zwrot wektora indukcji magnetycznej B. Wartość indukcji magnetycznej B wewnątrz przewodnika określa wzór pokazany na rysunku, gdzie:
B - wartość indukcji magnetycznej,
I - natężenie prądu elektrycznego w przewodniku,
µ - przenikalność magnetyczna próżni (zakładamy, że wokół przewodnika jest próżnia),
r - promień przewodnika.
Taki przewodnik wytwarza pole magnetyczne, którego linie sił układają się podobnie jak w przypadku magnesu sztabkowego.
Magnesy sztabkowe.
Gdybyśmy taki magnes umieścili w środku przewodu kołowego prostopadle do płaszczyzny przewodu, to jego pole imitowałoby pole magnetyczne wytwarzane przez prąd elektryczny płynący w tym przewodniku.
Skrętka
Ciasno skręcone dwa przewody (skrętka) przypominają nieco tak zwany solenoid - cewkę. To podobieństwo jest czysto geometryczne. W solenoidzie w kolejnych zwojach płynie prąd w tym samym kierunku, w skrętce zaś, w sąsiadujących zwojach prąd płynie w odwrotnych kierunkach.
W solenoidzie, w każdym zwoju płynie prąd w tym samym kierunku i pola te sumują się ze sobą. Mamy w ten sposób efekt wzmocnienia. Wewnątrz solenoidu mamy jednorodne pole magnetyczne o indukcji B = µNI, gdzie: B to wartość indukcji magnetycznej, µ to przenikalność magnetyczna próżni, I to natężenie prądu, a N to liczba zwojów na jednostkę długości.
W idealnej skrętce mamy B = 0. Pola magnetyczne wytwarzane przez sąsiednie zwoje wzajemnie się znoszą. Zatem taki przewód nie generuje wokół siebie pola magnetycznego, a co za tym idzie nie oddziałowuje elektromagnetycznie na inne przewody znajdujące się obok niego. Dlatego też, skrętki są powszechnie stosowane w kablach stanowiących połączenia przewodowe w sieciach komputerowych.
Początek strony