Προσομοιώσεις · Γ΄ Γυμνασίου · Ηλεκτρισμός · Κεφ. 3 · §3.3

Ηλεκτρομαγνήτης

Θεωρία

Το πείραμα του Έρστεντ

Το 1820 ένας καθηγητής φυσικής στην Κοπεγχάγη, ο Έρστεντ, έκανε ένα μάθημα επίδειξης με ηλεκτρισμό. Είχε τυχαία μια πυξίδα κοντά σ’ ένα καλώδιο. Μόλις πέρασε ρεύμα από το καλώδιο, η βελόνα της πυξίδας κινήθηκε, χωρίς κανείς να την αγγίξει.

Μέχρι τότε όλοι πίστευαν ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ήταν δύο εντελώς ξεχωριστά φαινόμενα. Ο Έρστεντ έδειξε κάτι καινούριο: ένας αγωγός που τον διαρρέει ρεύμα ασκεί μαγνητική δύναμη. Δημιουργεί γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο, ακριβώς όπως ένας μαγνήτης.

Όσο το κύκλωμα είναι ανοιχτό (δεν περνά ρεύμα), η βελόνα δείχνει βορρά–νότο, όπως θα έδειχνε λόγω του μαγνητικού πεδίου της Γης. Μόλις κλείσει ο διακόπτης και περάσει ρεύμα, η βελόνα στρέφεται.

Σκέψου: αν απομακρύνεις πολύ την πυξίδα από το σύρμα, θα στραφεί το ίδιο όσο όταν ήταν κοντά;

Το πηνίο: πολλοί αγωγοί μαζί

Ένα μόνο ίσιο σύρμα με ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, αλλά αρκετά αδύναμο. Τι θα γινόταν αν παίρναμε πολλά τέτοια σύρματα και τα βάζαμε μαζί, όλα με ρεύμα προς την ίδια κατεύθυνση;

Ακριβώς αυτό κάνει ένα πηνίο (ή σωληνοειδές): τυλίγουμε το ίδιο σύρμα σε πολλές κυκλικές σπείρες, τη μία δίπλα στην άλλη, γύρω από έναν κύλινδρο. Κάθε σπείρα προσθέτει το δικό της μικρό μαγνητικό πεδίο, και όλες μαζί δίνουν ένα πολύ πιο ισχυρό πεδίο μέσα στο πηνίο.

Μέσα στο πηνίο οι δυναμικές γραμμές του πεδίου είναι σχεδόν παράλληλες και πυκνές· έξω από αυτό αραιώνουν γρήγορα. Γι’ αυτό το πεδίο είναι πολύ πιο ισχυρό στο εσωτερικό παρά στο εξωτερικό του πηνίου.

Γρήγορος έλεγχος: ένα πηνίο με 80 σπείρες κι ένα με 20 σπείρες έχουν το ίδιο ρεύμα. Ποιο δημιουργεί ισχυρότερο πεδίο;

Ο ηλεκτρομαγνήτης: ένα πηνίο με πόλους

Όταν περνά ρεύμα από ένα πηνίο, αυτό συμπεριφέρεται σαν κανονικός ραβδόμορφος μαγνήτης: έχει δύο άκρα-πόλους, έναν βόρειο (Β) και έναν νότιο (Ν). Οι δυναμικές γραμμές του πεδίου του έξω από το πηνίο μοιάζουν με αυτές ενός μαγνήτη. Γι’ αυτό το πηνίο με ρεύμα λέγεται ηλεκτρομαγνήτης.

Πώς ξέρουμε ποιο άκρο είναι ποιος πόλος; Πλησιάζουμε μια πυξίδα σε κάθε άκρο και θυμόμαστε τον κανόνα των μαγνητών: αντίθετοι πόλοι έλκονται, ίδιοι πόλοι απωθούνται.

Τι κάνει το πηνίο πιο ισχυρό μαγνήτη

Στην προσομοίωση μπορείς να αλλάξεις τρία πράγματα, και καθένα κάνει τον ηλεκτρομαγνήτη πιο ισχυρό:

• Περισσότερο ρεύμα I. Μεγαλύτερο ρεύμα σημαίνει περισσότερο κινούμενο φορτίο κάθε στιγμή, άρα ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο.
• Περισσότερες σπείρες N. Όπως είδες πριν, κάθε σπείρα προσθέτει το δικό της πεδίο.
• Σιδερένιος πυρήνας. Ένα κομμάτι σιδήρου μέσα στο πηνίο μαγνητίζεται κι αυτό, και το δικό του πεδίο προστίθεται σε αυτό του πηνίου. Το αποτέλεσμα είναι πολύ πιο ισχυρό απ’ ό,τι το πηνίο μόνο του.

Στην προσομοίωση, προσθέτοντας πυρήνα με το ίδιο ρεύμα και τις ίδιες σπείρες, η δύναμη πολλαπλασιάζεται περίπου επί 8· το δείχνει η μπάρα «Δύναμη του ηλεκτρομαγνήτη» και οι συνδετήρες που σηκώνει. Στην πραγματικότητα ο πολλαπλασιαστής εξαρτάται από το υλικό του πυρήνα και μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερος· η προσομοίωση διάλεξε το 8 για να το παρατηρείς εύκολα.

Ο πυρήνας όμως δεν βοηθά για πάντα. Ο σίδηρος μαγνητίζεται όλο και περισσότερο όσο ανεβάζεις το ρεύμα, μέχρι που μαγνητίζεται όσο μπορεί· από εκεί και πέρα λέμε ότι έχει κορεστεί. Αν συνεχίσεις να ανεβάζεις το ρεύμα, το πεδίο του ίδιου του πηνίου εξακολουθεί να μεγαλώνει, αλλά ο πυρήνας δεν προσθέτει τίποτα παραπάνω. Γι’ αυτό πολύ ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες, όπως αυτοί που κατευθύνουν δέσμες σωματιδίων στους μεγάλους επιταχυντές, δεν έχουν σιδερένιο πυρήνα μέσα στο πηνίο: σε τέτοια πεδία ο σίδηρος θα είχε κορεστεί από ώρα και δεν θα πρόσφερε τίποτα.

Πρόβλεψε: απάντησε στην κάρτα «Πρόβλεψη» της προσομοίωσης πριν συνεχίσεις, μετά τσέκαρε τον πυρήνα και έλεγξε.

Αντιστροφή ρεύματος, αντιστροφή πόλων

Τι θα γινόταν αν αντιστρέφαμε τη φορά του ρεύματος στο πηνίο, αν δηλαδή το ρεύμα διέτρεχε τις σπείρες προς την αντίθετη κατεύθυνση;

Οι πόλοι αντιστρέφονται: το άκρο που ήταν Β γίνεται Ν, και το άκρο που ήταν Ν γίνεται Β. Είναι σαν να γυρίζεις έναν ραβδόμορφο μαγνήτη ανάποδα.

Η ισχύς του ηλεκτρομαγνήτη δεν αλλάζει με την αντιστροφή: το ίδιο ρεύμα περνάει, απλώς προς την άλλη κατεύθυνση. Αλλάζει μόνο ποιο άκρο είναι ποιος πόλος.

Σειρά σου: στην προσομοίωση πάτησε «Αντιστροφή ρεύματος» και παρατήρησε τις δύο πυξίδες. Τι κάνουν οι βελόνες τους;

Δεν είναι μόνιμος μαγνήτης

Ένας μαγνήτης ψυγείου είναι πάντα μαγνήτης· δεν μπορείς να τον «σβήσεις». Ένας ηλεκτρομαγνήτης είναι μαγνήτης μόνο όσο περνά ρεύμα από μέσα του. Κλείσε το ρεύμα, και ο σίδηρος του πυρήνα σταματά σχεδόν αμέσως να τραβά συνδετήρες.

Συχνό λάθος: να θεωρείς τον ηλεκτρομαγνήτη «ίδιο πράγμα» με έναν κανονικό μαγνήτη, απλώς πιο δυνατό. Η μεγάλη διαφορά είναι ότι τον ελέγχεις: τον ανάβεις, τον σβήνεις, αλλάζεις την ισχύ του και αντιστρέφεις τους πόλους του, με έναν διακόπτη.

Πού τον χρησιμοποιούμε

Ακριβώς επειδή μπορούμε να τον ελέγχουμε, ο ηλεκτρομαγνήτης χρησιμοποιείται παντού:

• Γερανός χωματερής: σηκώνει μεταλλικά αντικείμενα με το ρεύμα ανοιχτό και τα αφήνει κλείνοντας τον διακόπτη.
• Κουδούνι πόρτας: το ρεύμα ενεργοποιεί έναν μικρό ηλεκτρομαγνήτη που τραβά ένα μεταλλικό σφυράκι πάνω σε μια πλάκα.
• Ρελέ (relay): ένας μικρός ηλεκτρομαγνήτης «κλείνει» έναν άλλο, μεγαλύτερο διακόπτη· έτσι ένα αδύναμο σήμα μπορεί να ελέγξει ένα ισχυρό κύκλωμα.
• Μαγνητικό τρένο (maglev): ηλεκτρομαγνήτες στις ράγες και στο τρένο απωθούνται ή έλκονται, ώστε το τρένο να «πετάει» λίγο πάνω από τις ράγες, χωρίς τριβή.
• Ηχεία: ένα πηνίο με ρεύμα μέσα στο πεδίο ενός μόνιμου μαγνήτη κινείται εμπρός-πίσω ανάλογα με το ρεύμα, σπρώχνοντας τον αέρα και δημιουργώντας ήχο.

Σκέψου: σε ποια από αυτές τις χρήσεις είναι σημαντικό να αντιστρέφεται η φορά του ρεύματος πολλές φορές το δευτερόλεπτο, κι όχι απλώς να ανάβει και να σβήνει;

Επιπλέον — για αργότερα

Ο Έρστεντ άνοιξε τον δρόμο, αλλά η ιστορία δεν σταμάτησε εκεί. Λίγο αργότερα ο Γάλλος φυσικός Αμπέρ υποστήριξε ότι κάθε μαγνητικό φαινόμενο, ακόμα κι ενός κανονικού μαγνήτη, προέρχεται τελικά από ηλεκτρικά ρεύματα, μικροσκοπικά ρεύματα μέσα στα ίδια τα άτομα. Δεκαετίες αργότερα ο Μάξγουελ ένωσε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σε μία θεωρία, τον ηλεκτρομαγνητισμό, που εξηγεί μεταξύ άλλων και το φως.

Δραστηριότητες

1. Πρόβλεψη: απάντησε στην κάρτα «Πρόβλεψη» πριν προσθέσεις τον πυρήνα, μετά τσέκαρε το κουτάκι και έλεγξε.
2. Με το ρεύμα στο 0, παρατήρησε τις δύο πυξίδες: και οι δύο δείχνουν πάνω. Ανέβασε αργά το ρεύμα και δες πότε αρχίζουν να στρέφονται προς το πηνίο.
3. Πάτησε «Αντιστροφή ρεύματος» και παρακολούθησε τα γράμματα Β/Ν στα άκρα του πηνίου και τις δύο πυξίδες. Τι άλλαξε και τι έμεινε ίδιο;
4. Βάλε το ρεύμα στα 3 A και τις σπείρες στις 100, χωρίς πυρήνα. Σημείωσε πόσους συνδετήρες σηκώνει. Μετά τσέκαρε «Σιδερένιος πυρήνας» με τις ίδιες τιμές και σύγκρινε.
5. Σύρε τις δύο πυξίδες σε διαφορετικά σημεία γύρω από το πηνίο (πάνω, δίπλα, μακριά). Πού δείχνουν προς το πηνίο και πού δείχνουν σχεδόν πάνω, σαν να μην υπήρχε καθόλου πηνίο;

Ασκήσεις

Λύσε κάθε άσκηση και έλεγξε την απάντηση στην προσομοίωση, όπου γίνεται.

1. Επίπεδο 1 · Κατανοώ Τι έδειξε το πείραμα του Έρστεντ; Γιατί ήταν σημαντική ανακάλυψη;

   Λύση

   Έδειξε ότι ένα ρεύμα που περνά από αγωγό ασκεί μαγνητική δύναμη γύρω του (κινεί τη βελόνα μιας πυξίδας). Ήταν σημαντικό γιατί μέχρι τότε οι άνθρωποι πίστευαν ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός ήταν άσχετα φαινόμενα.

2. Επίπεδο 1 · Κατανοώ Γιατί ένα πηνίο με ρεύμα λέγεται «ηλεκτρομαγνήτης»;

   Λύση

   Γιατί συμπεριφέρεται σαν κανονικός μαγνήτης (έχει πόλους Β και Ν, έλκει σίδηρο) μόνο όσο περνά ηλεκτρικό ρεύμα από μέσα του.

3. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Δύο πηνία έχουν τον ίδιο αριθμό σπειρών και κανένα δεν έχει πυρήνα. Το πηνίο Α έχει ρεύμα 1 A, το πηνίο Β έχει ρεύμα 2,5 A. Ποιο είναι ο ισχυρότερος μαγνήτης; Γιατί;

   Λύση

   Το πηνίο Β, γιατί με τον ίδιο αριθμό σπειρών, περισσότερο ρεύμα σημαίνει ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο.

4. Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Ένα πηνίο σηκώνει μερικούς συνδετήρες. Χωρίς να αλλάξεις το ρεύμα ή τις σπείρες, ονόμασε μία αλλαγή που θα το κάνει να σηκώσει περισσότερους.

   Λύση

   Να προσθέσεις σιδερένιο πυρήνα μέσα στο πηνίο.

5. Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Ένα πηνίο έχει ρεύμα προς μία κατεύθυνση και σηκώνει 5 συνδετήρες. Αντιστρέφεις τη φορά του ρεύματος. Πόσους συνδετήρες θα σηκώσει τώρα, και γιατί; Τι άλλο θα αλλάξει;

   Λύση

   Θα σηκώσει πάλι 5 συνδετήρες: η ισχύς του ηλεκτρομαγνήτη δεν εξαρτάται από τη φορά του ρεύματος, μόνο το μέγεθος του ρεύματος, οι σπείρες και ο πυρήνας την καθορίζουν. Αυτό που αλλάζει είναι ποιο άκρο είναι Β και ποιο Ν: αντιστρέφονται.