Dodatnie sprzężenie zwrotne
Efekty oddziaływań elektromagnetycznych
wewnątrz
krążka wirującego w stacjonarnym polu magnetycznym |
Tworzywo każdego
ciała można sprowadzić do struktury jonów i elektronów
przewodzenia. Jony tworzą przestrzenną siatkę krystaliczną i
w przeważającej większości materiałów nie mogą się
przemieszczać wewnątrz ciała. Elektrony przewodzenia (pewna
ich ilość występuje w każdym materiale) pod wpływem
oddziaływań elektromagnetycznych mogą się wewnątrz ciała
przemieszczać tworząc zjawisko prądu elektrycznego.
Oczywiście, podatność nośników ładunku elektrycznego
na przemieszczanie zależy od ich ruchliwości wewnątrz
materiałów - ma to związek z efektem Halla. W metalach
ruchliwości ujemnych nośników ładunku elektrycznego
(elektronów) są bardzo małe, w półprzewodnikach
ruchliwości są większe, lecz największe ruchliwości,
nośniki ładunków posiadają w cieczach (elektrolitach)
i w gazach.
|
Oddziaływanie poprzeczne.
Wewnątrz
krążka,
wirującego w polu
magnetycznym, oddziaływanie poprzeczne indukuje wzdłuż
promienia krążka siłę elektromotoryczną, którą można
stwierdzić przy pomocy galwanometru przyłączonego nieruchomym
przewodem do osi obrotu i do zewnętrznego obwodu krążka
|
Oddziaływanie styczne. Wzdłuż
kierunku
działania stycznego
oddziaływania magnetycznego, wewnątrz krążka istnieje
naturalnie zamknięty obwód prądu w którym, podczas obrotów
krążka, oddziaływanie styczne działając na elektrony
przewodzenia wywołuje obwodowy przepływ swobodnych
elektronów.
Wewnątrz krążka powstaje prąd przewodzenia płynący w
zamkniętej pętli, zgodnie z kierunkiem działania
oddziaływania stycznego.
Kierunek przepływu elektronów przewodzenia nie
zależy od
kierunku obrotów krążka - zależy tylko od zwrotu linii sił
pola magnetycznego.
|
Przy dodatnim zwrocie
linii sił pola magnetycznego, elektrony przewodzenia wewnątrz
wirującego krążka płyną w kierunku zgodnym z ruchem
wskazówek zegara, natomiast przy ujemnym zwrocie linii sił pola
magnetycznego w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu
wskazówek
zegara. Nietrudno zauważyć, że indukowany oddziaływaniem
stycznym obwodowy prąd przewodzenia, wewnątrz krążka, płynie
w takim kierunku przy którym następuje wzmocnienie pola
magnetycznego przenikającego krążek.
Pole magnetyczne, wytworzone przez obwodowy prąd
przewodzenia, dodaje się do pola magnetycznego istniejącego
wcześniej wewnątrz krążka, a jednocześnie wielkość
obwodowego prądu przewodzenia, indukowanego oddziaływaniem
stycznym, zależy od wielkości wypadkowego pola magnetycznego
wewnątrz krążka - niezależnie czy pole to jest zewnętrzne,
nie związane z krążkiem, czy wiruje razem z krążkiem. |
Przedstawiony mechanizm jest przykładem
występowania w przyrodzie zjawiska naturalnego dodatniego
sprzężenia
zwrotnego.
Bo - początkowe pole
magnetyczne
Bw - wypadkowe
pole magnetyczne
D
B - pole magnetyczne
wytworzone przez obwodowy prąd
przewodzenia
K - funkcja opisująca zależność DB od wypadkowego pola
magnetycznego
DB = K × Bw
Bw =
Bo
+ DB
Bw =
Bo +
K × Bw |
Indukcja
jednobiegunowa |
Zjawisko indukcji jednobiegunowej występuje podczas
wirowania
magnesu lub namagnesowanego walca i polega na powstaniu siły
elektromotorycznej wzdłuż promienia walca, skierowanej zawsze
do osi walca, niezależnie od kierunku obrotów walca i zwrotu
jego pola magnetycznego. |
Podczas wirowania walca
wraz nim wiruje jego pole magnetyczne i wszystkie elektrony
znajdujące
się wewnątrz walca.
Przy założeniu, że
oddziaływanie styczne nie istnieje, nie istnieje również
oddziaływanie
poprzeczne, ponieważ elektrony nie zmieniają swojego
położenia względem wirującego wraz z walcem pola
magnetycznego. Również szybkość poruszania się elektronów
przewodzenia Vs względem wirującego wraz z walcem pola
magnetycznego jest równa zero.
Siła elektromotoryczna:
Wyjaśnienie istoty
zjawiska indukcji jednobiegunowej jest możliwe tylko przy
uwzględnieniu stycznego oddziaływania
elektromagnetycznego. |
Oddziaływanie styczne
pojawia się w momencie powstania ruchu obrotowego walca,
równocześnie z pojawieniem się przyspieszenia dośrodkowego
działającego na elektrony przewodzenia znajdujące się
wewnątrz walca i jest ono wynikiem oddziaływania przyspieszenia
dośrodkowego elektronów przewodzenia z polem magnetycznym
walca.
|
Oddziaływanie styczne wywołuje przemieszczanie się
(przepływ)
elektronów przewodzenia dookoła osi obrotu walca - prąd
przewodzenia. Z
kolei, obwodowy przepływ elektronów wewnątrz wirującego walca
jest równocześnie ruchem elektronów przewodzenia względem
związanego z walcem pola magnetycznego, co jest konieczne dla
pojawienia się oddziaływania poprzecznego i powstania zjawiska
indukcji jednobiegunowej, a ponieważ zwrot wektora szybkości
przepływu elektronów w stosunku do wektora pola magnetycznego
jest stały, niezależnie od kierunku obrotów, więc siła
elektromotoryczna
powstająca podczas
wirowania magnesu jest zawsze skierowana w jednym kierunku - do
osi
walca.
|
Giromagnetyzm |
Giromagnetyzm, nazwany od jego odkrywcy, zjawiskiem
Barnetta,
polega na tym, że ferromagnetyczny pręt poddany szybkiemu
wirowaniu wokół swej osi podłużnej zostaje namagnesowany
nawet bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego. |
Giromagnetyzm, również można
wyjaśnić
zasadą stycznego oddziaływania elektromagnetycznego, jednak
warunkiem koniecznym jest
wcześniejsze osadzenie ładunku elektrostatycznego na
powierzchni pręta, dającego w pierwszej chwili wirowania pręta
początkowe pole magnetyczne:
m - przenikalność
magnetyczna pręta
d -
powierzchniowa gęstość ładunku
r - promień pręta (połowa średnicy)
2p ×
r ×
w - szybkość obwodowa
powierzchni pręta
Ładunek elektrostatyczny
na powierzchnię pręta może się przedostać z powierzchni
Ziemi - gdy pręt jest uziemiony, lub z otaczającego powietrza
(powierzchnie są naturalnymi siedliskami ładunków i zawsze
jakiś się na nich znajduje). Z chwilą pojawienia się w
wirującym pręcie najsłabszego nawet pola magnetycznego,
wywołanego wirowaniem ładunku elektrostatycznego, natychmiast
pojawia się oddziaływanie styczne wywołujące wewnątrz pręta
obwodowy prąd przewodzenia który, dzięki dużej
przenikalności magnetycznej ferromagnetycznego tworzywa pręta,
oraz dzięki opisanemu wcześniej dodatniemu sprzężeniu
zwrotnemu, wzmacnia początkowe pole magnetyczne. Oprócz
namagnesowania się, w pręcie ferromagnetycznym podczas
wirowania występuje również zjawisko indukcji
jednobiegunowej.
|
|