Mag. polje strujnog provodnika

Pošto svaka naelektrisanačestica u kretanju kreira magnetno polje, koje obuhvata njenu putanju, kolektivno kretanje naelektrisanja u istom smeru dovešće do kreiranja niza magnetnih polja, koja se međusobno nadovezuju, odnosno sabiraju. Ovo je tipičan slučaj za prolazak električne struje kroz provodnik. Naelektrisanja (elektroni) se kreću duž istog pravca i kreiraju zbirno magnetno polje, koje nazivamo magnetno polje strujnog provodnika. 
Ukoliko strujni provodnik namotamo u vidu strujnog kalema, magnetno polje svakog namotaja sabira se sa magnetnim poljem ostalih namotaja, te je moguće postići veće vrednosti magnetnog polja na relativno malom prostoru. Ovu konstrukciju nazivamo kratko: kalem ili solenoid. 

Magnetno polje električne struje

Poznato je da se magnetni dipoli, u prisustvo spoljašnjeg magnetnog polja, orijentišu duž linija sila tog polja i pri tom kreiraju svoje zbirno magnetno polje. Ako pažljivo odaberemo materijal, čiji se magnetni dipoli brzo orijentišu u smeru linija sila spoljašnjeg magnetnog polja (meko gvožđe), možemo dodatno pojačati magnetno polje kalema, provlačeći kroz njega jezgro od mekog gvožđa. Sada se magnetno polje kalema (solenoida) i magnetno polje koje potiče od magnetnih dipola mekog gvožđa sabiraju, te je ukupno magnetno polje veće. Ukoliko isključimo električnu struju u kalemu, magnetno polje u potpunosti iščezava. Dobili smo elektromagnet

Elektromagnet ispoljava iste osobine kao i stalni magnet, ali sa jednom veoma bitnom razlikom – magnetnim poljem elektromagneta možemo upravljati. Promenom jačine struje kroz namotaje elektromagneta menja se jačina magnetnog polja, a promenom smera struje menja se orijentacija magnetnog polja elektromagneta, severni i južni pol elektromagneta zamene mesta. Ukoliko kroz kalem protiče promenljiva struja u istom ritmu (kao što je ritam promenljive struje) menjaće se i magnetno polje elektromagneta. Ukoliko se u blizini elektromagneta nalazi predmet osetljiv na delovanje magnetnog polja (magnet, gvožđe, strujni provodnik…) na njega će delovati promenljiva magnetna sila. 

Elektromagnetizam

Delovanje magnetnog polja na strujni provodnik

Kolektivno kretanje naelektrisanja u istom pravcu i smeru se naziva električna struja. Kada kroz provodnik protekne električna struja, dolazi do kolektivnog kretanja negativno naelektrisanih elektrona, u smeru suprotnom od smera električne struje (smer električne struje je smer kretanja pozitivnih naelektrisanja). Budući da se kreću kroz spoljašnje magnetno polje, elektroni su izloženi delovanju lorencove sile, koja je normalna na brzinu elektrona i linije magnetne indukcije istovremeno.

Strujni provodnik u magnetnom polju.

Lorencova sila pokušava da skrene pravac kretanja elektrona od pravca prostiranja provodnika. Kako su elektroni zarobljeni unutar provodnika, zbirno delovanje lorencove sile (sila koja deluje na sve elektrone u kretanju) se prenosi na provodnik u celini. Kažemo da na strujni provodnik u magnetnom polju deluje sila, koja će uzrokovati pomeranje provodnika (ukoliko nije učvršćen). Ovaj mehanizam je osnov rada zvučnika i elektromotora.

Jačina električne struje je po definiciji količina naelektrisanja koja protekne kroz poprečni presek provodnika u jedinici vremena, odnosno:

$$\ I=\frac{\Delta q}{\Delta t} $$

Ako iz prethodnog izraza iskažemo vrednost naelektricanja sledi da je:

$$\ \Delta q=I\cdot \Delta t$$

Ako prethodni izraz zamenimo u izraz za lorencovu silu

$$\vec{F} =q\cdot \vec{v} \times \vec{B} $$

dobijamo:

$$\ \vec{F }=I\cdot \Delta t\cdot \vec{v} \times \vec{B} $$

Kako je put koji pređu naelektrisane čestice jednak dužini provodnika (u magnetnom polju) –l, a znamo da se pređeni put izračunava kao proizvod brzine kretanja i vremena (za ravnomerno pravolinijsko kretanje):

$$\ \vec{l} =\vec{v}\cdot \Delta t $$

Sledi da se izraz za lorencovu silu koja deluje na strujni provodnik može napisati kao:

$$\ \vec{F } =I\cdot \vec{l} \times \vec{B}$$

Sila koja deluje na strujni provodnik u magnetnom polju (Amperova sila) direktno je srazmerna dužini provodnika, magnetnoj indukciji magnetnog polja kao i jačini struje u provodniku.

Delovanje magnetnog polja na strujni provodnik.

Definicija Ampera [A]: Ako između dva paralelna strujna provodnika, na međusobnoj udaljenosti od 1m deluje sila od 2 ·10-7 N,  kažemo da kroz njih protiče električna struja jačine 1 A.

Elektromotor

Otkriće da magnetno polje i električna struja u sadejstvu mogu rezultovati mehaničkom silom, uspostavilo je temelj za osmišljavanje modernih električnih mašina i aparata. Svaki aparat koji radi na električnu struju, a produkuje nekakav mehanički rad, radi na ovom principu. Od kućnih aparata (mikser, usisivač, fen, veš mašina …) sve do velikih industrijskih mašina, koristi se isti princip za pretvaranje električne energije u mehanički rad – delovanje magnetnog polja na strujni provodnik, ostvaren kroz rad elektromotora.

Elektromotor

Osnovni delovi svakog elektromotora su stator rotor. Stator je permanentni (stalni) magnet između čijih polova je smešten kalem sa jezgrom od mekog gvožđa (elektromagnet) koji može da rotira oko neke ose (rotor). Kada se kroz rotor propusti električna struja, magnetno polje rotora (koji je elektromagnet) sukobi se sa magnetnim poljem statora (stalni magnet) te se između ova dva dela elektromotora javlja amperova sila. Kako je jedini pokretni deo elektromotora njegov rotor, pod dejstvom amperove sile rotor počinje da se okreće, kako bi zauzeo položaj u kojem bi se povinovao delovanju amperove sile. Taman kada se rotor zakrene tako da suprotni polovi rotora i statora stoje jedan naspram drugog, četkice promene kontaktne pozicije i struja kroz rotor počinje da teče u suprotnom smeru. Polovi rotora menjaju mesto, pa su sada istoimeni polovi statora i rotora okrenuti jedan ka drugom. Amperova sila ponovo deluje na rotor i zakreće ga ka poziciji u kojoj bi se položaj rotora povinovao delovanju Amperove sile (suprotni polovi rotora i statora jedan ka drugom). U tom položaju četkice ponovo menjaju smer struje kroz rotor i ceo ciklus se nastavlja u nedogled. Rotor se okreće oko svoje ose sve dok kroz njega protiče struja.