Fyzika - Elektřina VI.

Magnetické jevy

Již ve starověku bylo známo, že některé rudy přitahují železo. Velká ložiska jedné z těchto rud byla u města Magnesie v Malé Asii. Tato ruda byla nazvána magnetovec. Dnes se od magnetů z tvrdé oceli se přešlo k magnetům slitinovým, z nichž nejznámějším je slitina Al, Ni a Co, používaná pod názvem ALNICO.
Magnety mívají nejčastěji tvar tyče, podkovy nebo magnetické střelky. Místa, kde se nejvíce projevují magnetické účinky, nazýváme sevení (N) a jižní (S) pól magnetu. Při rozdělení tyčového magnetu na dvě části zjistíme, že každá polovina má na svých koncích opět severní a jižní pól. V dělení můžeme pokračovat a i ten sebemenší dílek představuje magnet se dvěma opačnými póly. Jinými slovy - severní a jižní pól nemohou existovat odděleně od sebe. Elementárními magnety jsou atomy nebo molekuly látek.

Souhlasné póly magnetů (např. severní a severní) se navzájem odpuzují, nesouhlasné póly (severní a jižní) se navzájem přitahují. Kolem magnetu existuje magnetické pole a to se projevuje silovými účinky. Magnetické pole můžeme znázornit pomocí magnetických indukčních čar. Hustota indukčních čar vyjadřuje „sílu“ magnetického pole v určitém místě, průběh indukčních čar zjistíme buď malou magnetkou, ve směru indukčních čar se uspořádají i jemné železné piliny rozptýlené v blízkosti magnetu. Indukční čáry jsou vždy uzavřené a jsou orientované od severního k jižnímu pólu. Magnetické pole prochází i přes nemagnetické látky jako je sklo nebo měděný plech. Magnetismus můžeme z materiálu odstranit otřesy, nárazy, zahřátím, demagnetizací apod.
  
Naše Země je obrovským magnetem: severní magnetický pól dnes leží v severních oblastech Kanady, jižní magnetický pól Zeměse nachází v Antarktidě. Poloha zeměpisných a magnetických pólů se liší. Střelka kompasu míří k magnetickému pólu, neukazuje tedy přesně na sever. Úhel mezi směrem na sever (poledník) a osou magnetky se nazývá magnetická deklinace. Tento úhel je na různých místech Země různý a kromě toho se zvolna mění i během doby.
Číňané používali magnet již před 4000 lety k určování správného směru při dlouhých cestách, do Evropy se dostal asi ve 12. století. Dnešní kompas je tvořen magnetickou střelkou z tvrdé oceli, otáčející se nad větrnou růžicí. Turisté a vojáci používají kompas doplněný otáčivou úhloměrnou stupnicí k přesnému určení směru pochodu - azimutu. Takový kompas se nazývá buzola.

Magnetické pole kolem vodiče s proudem

Protéká-li vodičem elektrický proud, vytvoří se kolem něho magnetické pole. Toto pole je tím silnější, čím větší proud vodičem protéká. Této vlastnosti se v praxi využívá ke konstrukci elektromagnetů. Elektromagnet se skládá z cívky, do které je vloženo jádro z měkké oceli, například ve tvaru válcové tyčky. Zapojením proudu do cívky v jejím okolí vznikne magnetické pole, jádro toto pole mnohonásobně zesílí a přitom se zmagnetuje. Na jednom konci jádra vznikne severní pól, na opačném konci jižní pól. Změníme-li směr proudu, vymění si póly svou polohu. Silové působení elektromagnetu můžeme měnit velikostí procházejícího proudu a závisí i na průřezu a materiálu jádra. Přerušíme-li proud v cívce, jádro se odmagnetuje a elektromagnet opět přestane přitahovat železné předměty.

Elektromagnety mají v technice široké použití, najdeme je v nějaké podobě prakticky v každém elektrickém přístroji. Jsou hlavní součástí elektromotorů našich praček, vysavačů i holicích strojků, bez nich by nepracovaly magnetofony, videa ani pevné disky počítačů, chrání elektrické vedení v bytech, magnetické pole "pracuje" v domovním zvonku, reproduktoru i sluchátku.

 

Střídavý proud

V roce 1820 zjistil dánský lékař a fyzik Hans Christian Oersted, že se magnetická střelka vychyluje v blízkosti vodiče, kterým prochází proud. Zjednodušeně bychom mohli říci, že elektrický proud způsobí vznik magnetického pole. Anglický fyzik Michael Faraday předpokládal, že existuje i opačná možnost a hledal způsob, jak magnetickým polem způsobit vznik elektrického proudu. Podařilo se mu to 21. srpna 1831, kdy objevil elektromagnetickou indukci. Jeho objev je základem současné elektrotechniky a energetiky.

ELEKTROMAGNETICKÁ INDUKCE
  
Jestliže se v blízkosti vodiče mění magnetické pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí a uzavřeným obvodem začne procházet proud. Velikost indukovaného napětí na koncích vodiče, například na cívce, závisí na charakteru změn magnetického pole.

K elektromagmetické indukci může dojít různým způsobem:

• pohybem permanentního magnetu nebo elektromagnetu v blízkosti cívky - velikost indukovaného napětí závisí na "síle" magnetu, rychlosti a směru jeho pohybu a na počtu závitů cívky (animace)
• pohybem cívky v blízkosti permanentního magnetu nebo elektromagnetu - také v tomto případě závisí velikost indukovaného napětí na "síle" magnetu, rychlosti a směru pohybu cívky a na počtu jejích závitů. Podstatné přitom je, aby vodič při pohybu protínal indukční čáry, při pohybu ve směru indukčních čar se na něm žádné napětí neindukuje
• změnou proudu v primární cívce - do primární cívky přivádíme proud ze zdroje, sekundární cívka je nasunuta na společném jádře s primární. Změna velikosti proudu v primární cívce vyvolá indukci napětí na sekundární cívce. Velikost indukovaného napětí závisí na rychlosti změny proudu a na počtech závitů obou cívek. Jde o základní princip transformátoru.

 

LENZŮV ZÁKON
Indukovaný proud má vždy takový směr, že se svými účinky snaží zabránit změně, která ho vyvolala.

Jestliže například vznikl indukovaný proud přibližováním magnetu k cívce, brání magnetické pole vyvolané indukovaným proudem přibližování magnetu, Jestliže byl indukovaný proud vyvolán vzdalováním magnetu, snaží se magnetické pole tomuto vzdalování zabránit. Lenzův zákon je určitou obdobou zákona setrvačnosti, který známe z mechaniky.

Uvedené způsoby indukování proudu mají pestré využití. Jsou základem hromadné výroby elektrické energie v elektrárnách, indukované proudy roztáčejí rotory elektromotorů, bez indukce by nefungovaly transformátory (najdeme je v každém rozhlasovém a televizním přijímači, v počítačích, nabíječkách baterií aj.), spalovací motory se neobejdou bez indukčních zapalovacích cívek, vířivé proudy taví rudu v indukčních pecích nebo rozehřívají plotýnky moderních typů sporáků ...

STŘÍDAVÝ PROUD
Generátor střídavého proudu (neboli alternátor) přeměňuje mechanickou energii na energii střídavého elektrického proudu. Nejjednodušším generátorem by mohl být obdélníkový závit, otáčející se mezi póly permanentního magnetu. Indukované napětí by však bylo nepatrné a proto se ve skutečných generátorech otáčí mezi póly cívka s mnoha závity. Podstata však zůstává stejná - elektromagnetická indukce.

Otáčí-li se závit v magnetickém poli (obrázek vlevo), indukuje se na jeho koncích napětí jehož velikost závisí na úhlu, pod kterým protíná indukční čáry. V obvodu začne procházet proud, jehož velikost a směr závisí na velikosti a polaritě indukovaného napětí. Na obrázku vpravo je průběh jedné otočky závitu rozdělen na devět fází, v dolní části je graficky znázorněna velikost indukovaného napětí v jednotlivých polohách závitu:

• rovina závitu je vodorovná, levá část se pohybuje proti směru indukčních čar, pravá ve směru indukčních čar. Vodiče tedy indukční čáry neprotínají a proto se indukuje nulové napětí
• vodiče protínají indukční čáry pod úhlem 45° a na koncích závitu se indukuje určité napětí
• horní i dolní část závitu protínají indukční čáry pod úhlem 90° a na koncích závitu se indukuje maximální napětí - této fázi odpovídá poloha závitu nakrelená na levém obrázku
• obě části protínají indukční čáry opět pod úhlem 45°a indukuje se menší napětí
• obě části se pohybují ve směru indukčních čar a indukované napětí je nulové - závit vykonal právě polovinu otočky
• v další polovině otáčky se popsané situace opakují. Protože je však poloha závitu vzhledem k indukčním čarám obrácená, indukuje se napětí opačné polarity

 

Během jedné periody projde vodičem elektrický proud jedním a opačným směrem, například v naší elektrické síti má střídavý proud frekvenci 50 Hz.

Koncem 19. století se elektrická energie začala vyrábět a používat ve stále větším rozsahu. Proti sobě stály dva systémy - stejnosměrný a střídavý. Nejvýznamnějším zastáncem stejnosměrného proudu byl slavný americký vynálezce Thomas Alva Edison, u nás to byl František Křižík. Propagátorem využívání střídavého proudu byl především jeho bývalý spolupracovník Nikola Tesla.

Stejnosměrný proud, který Edisonovy elektrárny vyráběly pomocí dynam, byl vhodný pro napájení obloukových lamp, žárovek, tramvají či výtahů, ale byl zcela nevhodný pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti. Edison rozváděl proud z bezpečnostních důvodů s napětím do 200 voltů a při přenosu větších výkonů musel vodiči procházet značný proud. To znamenalo zvláště na větší vzdálenosti neúnosné ztráty.

Hlavní výhodou střídavého proudu v energetice je možnost jeho transformace. Zvýšením napětí stačí k přenosu stejného výkonu menší proud a tím se omezí ztráty. Dnešní elektrárny vyrábějí výhradně střídavý proud, který se pro přenos transformuje na vysoké a velmi vysoké napětí. V místě spotřeby se napětí zase sníží na bezpečnou velikost, pro domácnosti na 230 voltů. Stejnosměrný proud získáme ze střídavého usměrněním polovodičovými diodami.