Jeszcze raz o prądzie elektrycznym cz.12

Oddziaływanie strumienia magnetycznego z ramką bardzo się różni od oddziaływania z prostym przewodnikiem, który to przypadek został przez nas dokładnie przeanalizowany.

Zanim przystąpimy do analizy tego przypadku przyjrzyjmy się najpierw jednemu z dogmatów starej teorii.

Sens tego dogmatu zawarty jest w tym, że prąd zmienny opisuje się sinusoidą, przekonywującą nas w tym, że za jeden obrót ramki w strumieniu magnetycznym zdjęty z ramki prąd przechodzi dwie pulsacje i dwukrotnie zmienia kierunek ruchu.

Przedstawia się to tak, że jeżeli dwa końce ramki są połączone z pierścieniami Nr1 i Nr2, to przy pierwszym półobrocie prąd z ramki płynie do pierścienia Nr1, od tego kolca na zewnętrzny obwód, odbiornik, i wraca do pierścinia Nr2 zamykając cały obwód. Przy drugim półobrocie, prąd z ramki jakoby płynie do pierścienia Nr2, stąd na zewnętrzną część obwodu i wraca do pierścienia Nr1 – jednym słowem, kierunek prądu zmienił się jak w ramce, tak i w zewnętrznym obwodzie.

Załóżmy, że to rzeczywiście tak!!!

W takim przypadku, odległość między generatorem prądu, a jego odbiorcą bezwzględnie powinna być limitowana skończoną prędkością rozchodzenia się prądu v0 = 2,8992629*10^8 m*s^-1. A więc, przy standartowej częstotliwości f = 50 Hz, jego okres t = 1/f = 2*10^-2 s. Jeśli jednak prąd płynie w jednym kierunku pół okresu, to czas, w którym on płynie wynosi tau = 1*10^-2 s. Za ten czas, prąd powinien dojść do odbiorcy i wrócić do generatora, albowiem tylko w takim przypadku zamknie się obwód!!!

Z powyższego wynika, że graniczna odległość odbiorcy od generatora wynosi lmax :

lmax = v0*tau/2 = 1,4496*10^6 m ≈ 1450 km [2.82]

Tu wszyscy powinni zaprotestować, gdyż wieloletnie doświadczenie pokazało nam, że nie ma limitującej odległości między generatorem prądu i odbiorcą, a więc sinusoida przeczy temu doświadczeniu.

Wyobraźmy sobie, że obracamy ramkę między dwoma biegunami magnesu, ustawionymi pionowo jeden nad drugim. W pozycji wyjściowej ramka leżała w płaszczyźnie poziomej, była równo oddalona od biegunów, a pierścienie do których była podłączona były skierowane do nas – obserwatorów. Ramkę będziemy obracali w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara

Analizie poddamy zjawiska zachodzące w jednym, prawym ramieniu ramki.

Odcinek OA (czyli promień ramki – r) ma długość na tyle większą od połowy szerokości bieguna magnesu a/2, że strumień magnetyczny nie oddziaływuje z aktywnym odcinkiem ramki, tj. spełnione będą nierówności:

(r – a/2) >Δlc

 
(l – b) >Δlc     [2.83]

gdzie: b – długość bieguna; l = AB – jeden z aktywnych odcinków ramki,Δlc – krytyczna odległość między brzegiem strumienia magnetycznego, a powierzchnią aktywnego odcinka.

W celu zabezpieczenia jednokierunkowości ruchu wira na aktywnym odcinku, zrobimy ten odcinek nierównoległym do brzegu magnesu w pionowej płaszczyźnie, przez dodanie jemu kąta alfa(A1BA) = 10 stopni

Jeśli rozpocząć obracanie ramki w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, to przy obrocie o pewien kątφ, pierwszym do brzegu strumienia elektrino przybliży się na krytyczną odległośćΔlc wierzchołek A1.

Wir, zaczyna formowanie prądu elektrycznego na tym wierzchołku i nadaje mu ruch w kierunku wierzchołka B, i dalej, przez pierścień, na obwód zewnętrzny. Jeśli patrzeć w ślad za uchodzącym wirem, to zobaczymy go prawoskrętnym, tj. obracającym się zgodnie z ruchem wskazówek zegara

Po pewnym czasieΔtau, gdy ramka zrobiła obrót jeszcze na kąt alfa, w kontakt ze strumieniem magnetycznym zaczyna wchodzić wierzchołek B. Od tego momentu, generowanie prądu odbywa się na całej długości aktywnego odcinka l. Półkontur wszedł w obszar stacjonarnego formowania wira, albowiem ten proces trwa tak długo, aż on nie pokona kątaβ= pi – 2(alfa –φ). W tym obszarze, stabilny, maksymalny poziom osiągają natężenie i napięcie generowanego prądu, kierunek jego obrotu i ruchu.

Kończy się to stacjonarne formowanie wira w tym momencie, gdy wierzchołek B wychodzi z oddziaływania z magnetycznym strumieniem po drugiej stronie bieguna. W tym momencie natężenie i napięcie prądu jest równe zero.

Przechodzenie ramki wzdłuż południowego bieguna magnesu.

Jeśli kontynuować obrót ramki, to przy obrocie na kątφ, wierzchołek A1 zbliżając się do bieguna Południowego, znowu pierwszy wejdzie w kontakt ze strumieniem magnetycznym i zaczyna się drugi cykl formowania wira. Wir ten będzie się poruszał od wierzchołka A1 wzdłuż aktywnego odcinka l, do wierzchołka B, to jest znowu do pierścienia zdejmującego prąd z analizowanego przez nas, a więc tego samego półkontura. Przy tym, jeśli popatrzymy w ślad za wirem odchodządzym od wierzchołka A1 do wierzchołka B, to zobaczymy, że on jest lewoskrętny (przeciwko ruchu wskazówek zegara)

Z przedstawionej do tej pory analizy jednoznacznie wynika, że kierunek prądu elektrycznego w półkonturze jest stały, ale dwa razy zmienia się kierunek formowania wira. Przy przechodzeniu półkontura w północnej części przestrzeni międzybiegunowej formuje się prawoskrętny prąd, a przy przechodzeniu w południowej części – lewoskrętny. Jeśli teraz, przy niezmienionych warunkach półkontur obracać w przeciwną stronę, to formowanie wira zacznie się w punkcie B, on będzie przemieszczał się do punktu A1 , a prąd będzie lewoskrętny, tj. oba zjawiska zmienią swoje kierunki na odwrotne (na kątΠ).

Jeśli poddać takiemu odwrotnemu wirowaniu cały kontur (całą ramkę), to prąd od wierzchołka B przejdzie cały kontur i wyjdzie na obwód zewnętrzny przez kontaktowy pierścień drugiego półkontura, a prąd drugiego półkontura, poruszając się w drugim kierunku wyjdzie na zewnętrzny obwód przez pierścień kontaktowy pierwszego.

Nie podlega dla mnie żadnej dyskusji, że kolega, któremu dedykuję tą serię wykładów (przypominam, że jest nim Janusz), od razu zorientuje się, że odwrotne wirowanie ramki jest niekorzystne z powodu nałożenia się na siebie poruszających się w przeciwnych kierunkach prądów.

Dlatego jeszcze raz zwracam uwagę na ten fakt, że właściwym kierunkiem obrotów kontura jest taki kierunek, przy którym jego oddziaływanie z między biegunowym strumieniem magnetycznym zaczyna się na przeciwnym do pierścienia kontaktowego wierzchołku półkontura, albowiem tylko w tym przypadku, prąd formuje się każdym półkonturem i jest skierowany do swojego kontaktowego pierścienia.

Jeśli natomiast obracać w odwrotnym kierunku półkontur, to na jego kontaktowym pierścieniu natężenie i napięcie prądu będą reaktywnymi. Istota reaktywnego prądu półkonturu polega na tym, że wir, który zaczął się formować od wierzchołka B, otrzymuje ruch postępowy w kierunku odizolowanego od przewodzących materiałów urządzenia końca (punkt O).

Dochodząc do punktu O, wir traci postępowy krok, następuje jego koncentracja na tym końcu, i ona trwa tak długo, aż powstanie wir stojący, który po krótkim czasieΔt otrzymuje ruch postępowy w przeciwną stronę, tj. od punktu O do kontaktowego pierścienia.

Przy tym, jeśli do punktu O wir przyszedł lewoskrętnym, to reaktywny wir, idąc w przeciwnym kierunku, jest prawoskrętnym.

Uważny czytelnik już się zorientował, że i w tym przypadku zjawisku towarzyszy nałożenie się wstecznych prądów, przy czym reaktywny rozkłada się nad pierwotnym, tj. jego promień jest większy. Obroty tych dwóch wirów są równoległe.