Úvod

1.2. Magnetické pole

Kolem každého vodiče, kterým prochází proud vzniká magnetické pole, jehož siločáry kolem něj tvoří kružnice. Pokud ho svineme do cívky, procházejí jejím vnitřkem a uzavírají se okolním prostorem. Obecně platí, že intenzita pole klesá s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje.
Siločáry magnetického pole

Pole je tím silnější, čím vyšší je proud a délka vodiče v cívce. Další možností, jak jej zesílit je vložení látky s vyšší magnetickou vodivostí. Takovýmto látkám říkáme feromagnetické. Měrná magnetická vodivost se nazývá permeabilita m. - Pozor! Neplést si s permitivitou. Relativní permeabilita mr je potom poměr permeability dané látky k permeabilitě vakua m0. Feromagnetické látky do sebe vtahují magn. pole a jím jsou zároveň přitahovány. Jsou to zejména některé kovy (Fe, Ni, Cr) a jejich sloučeniny (většinou oxidy). Jejich mr dosahuje až několika tisíc. Tyto látky dále dělíme na magneticky měkké, jejichž pole zaniká se zánikem vnějších příčin a magneticky tvrdé, které zůstanou zmagnetovány. Většina ostatních látek má však mr těsně okolo jedné, pročež nemají na magn. pole znatelný vliv.
Podobně, jako zdroj el. energie má kladný a záporný pól, má i magnet dva póly, zvané severní a jižní. A říkáme, že magnetické siločáry procházejí od severu k jihu (uvnitř magnetu je tomu samozřejmě naopak.). K určení, kde je sever, slouží tzv. pravidlo pravé ruky, kteréž zní: Položíme-li pravou ruku na cívku tak, aby prsty ukazovaly směr proudu, palec ukazuje na sever. Interakce mezi póly je stejná, jako u elektřiny, tedy rozdílné se přitahují a souhlasné odpuzují.

Pohyb vodiče v magnetickém poli

Umístíme-li vodič, kterým prochází proud do magnetického pole naň kolmého, začne se pohybovat, protože na jedné straně se jeho pole odpuzuje od pole vnějšího a na druhé je doň vtahováno. Síla je přímo úměrná velikosti proudu, intenzitě pole a aktivní délce vodiče.
Pohyb vodiče v magnetickém poli

Tímto pohybem ale koná práci a proto také musí ze zdroje odebírat odpovídající výkon, který na něm (kromě odporu) způsobí úbytek napětí. Výkon je pak přímo úměrný síle a rychlosti. Je celkem logické, že to platí i opačně:
Pohybuje-li se vodič v magnetickém poli, indukuje se v něm napětí, které je přímo úměrné rychlosti a zdroj mechanické energie je zatěžován silou přímo úměrnou proudu. Těchto jevů se využívá v elektromotorech a generátorech. Na obrázku vidíme zjednodušený generátor střídavého proudu (alternátor neboli synchronní generátor): Mezi póly magnetu je smyčka z drátu, která se otáčí tak, jak to vidíme vpravo. Indukovaný proud je odváděn dvěma kroužky, na něž dosedají uhlíkové kartáče spojené s vnějšími obvody.
Chování rotujícího závitu v magnetickém poli - alternátor

Graf znázorňuje průběh indukovaného napětí v závislosti na úhlu otočení od výchozí pozice. V době, kdy je okamžitý směr pohybu aktivních částí závitu rovnoběžný s magnetickými siločárami, prochází napětí nulou, je-li kolmý, napětí dosahuje vrcholu.
Ke získávání stejnosměrného proudu slouží stroj, zvaný dynamo. Konstrukce je vpodstatě stejná, jen místo kroužků je komutátor. Ten po každé půlotáčce závit přepóluje. Komutátory skutečných dynam ovšem mají tři i více lamel a odpovídající počet vinutí. Proto nedávají pulsující, ale téměř čisté stejnosměrné napětí. Například motor v tramvaji má komutátor se sto dvaceti lamelami, ale není výjimkou ani několikrát více.
Chování rotujícího závitu v magnetickém poli - dynamo

V předchozí větě byl zmíněn komutátorový motor. To proto, že jeho konstrukce je s dynamem shodná. Ano, připojíme-li dynamo na zdroj stejnosměrného proudu, začne se točit. Proto jsou komutátorové motory velmi oblíbené v el. dopravních prostředcích, kde se jimi též brzdí, tím že vyrábějí proud, čemuž se říká elektrodynamická brzda. S alternátorem to jde také, ale jako motor se velmi špatně rozbíhá.
Synchronni motor je odvozen z alternátoru. V jednofázovém provedení se nedokáže sám rozběhnout, protože se jeho rotor ustálí ve střední poloze a tam se jen chvěje. Řešením je vícefázová (většinou třífázová) soustava. - Generátor v elektrárně má tři soustavy vinutí vzájemně pootočené o 120°, jejichž napětí je tudíž fázově posunuto. Na obrázku vidíme zjednodušený synchronní stroj v příčném a podélném řezu. Zatímco v našich pokusech jsme výstupní výkon odváděli z rotoru, zde je tomu naopak, protože by kroužky musely býti nejméně tři a především zatěžovány příliš velkým výkonem. Ve velkých strojích ale přeci jen jsou. Pole permanentního magnetu totiž není dostatečně silné, pročež byl nahrazen elektromagnetem, který je jimi napájen, ale jeho příkon bývá proti výkonu celého stroje zanedbatelný. Ale vraťme se k funkci 3f motoru: Statorová vinutí vytvářejí točivé magnetické pole. To je pole, které má stále stejnou velikost, jen jeho směr se plynule otáčí, jako kdyby na místě statoru byl točící se magnet. Rotor pak už jen kopíruje pozici tohoto fiktivního magnetu.
Synchronní stroj

Základní výhodou synchronních motorů je, že jejich otáčky závisí pouze na kmitočtu napájecího napětí. Nevýhoda spočívá ve značně těžkopádném rozběhu doprovázeném velkými proudovými nárazy. Proto se k rozběhu velkých synchronních motorů používá takzvaný spouštěč. To je jiný motor (většinou asynchronní), který jej napřed roztočí na otáčky blízké synchronním, potom je teprve vlastní sync. motor zapnut.
Třífázové napětí, klecové vinutí a momentová charakteristika asynchronního motoru
Asynchronní motor má rotorové vinutí obvykle spojené nakrátko, konstruované jako tzv. klec, která je většinou přímo do drážek rotoru odlita z hliníku, nebo u starších motorů pájena z měděných tyčí a kruhů. V ní se indukuje proud, který je tím větší, čím je větší rozdíl mezi otáčkami rotoru a točivého magnetického pole. Důsledkem je síla, která s rotorem točí. Jak otáčky rostou mění se výsledný *moment podle momentové charakteristiky. Otáčky se nakonec ustálí v pracovní oblasti, tedy na 90 - 93 % synchronních. Při změně zátěže mírně vzrostou, nebo poklesnou. Rozběh je doprovázen proudovým nárazem, ale je přeci jen snadnější než v případě synchronního motoru.
Pokud působením vnějších sil zvýšíme otáčky nad ns, přejde motor do generátorového režimu a začne dodávat proud. - Stane se z něj asynchronní generátor. Jeho zvláštností je, že svou činností neovlivňuje kmitočet sítě, pročež se hojně používá v malých vodních elektrárnách. V běžných elektrárnách se nepoužívá, neboť má nižší účinnost a je zdrojem velkého jalového výkonu.
Pohybu vodiče v magnetickém poli se také využívá k ohybu proudu nabitých částic v obrazovkách, magnetronech a jiných speciálních elektronkách a v některých urychlovačích částic (např. cyklotron). Pokud se totiž nabitá částice (elektron, proton, alfa a pod.) pohybuje, chová se z tohoto hlediska vlastně jako vodič orientovaný ve směru pohybu, kterým prochází proud.
Ohyb dráhy nabitých částic v magnetickém poli

Tohoto jevu se také dá použít k třídění atomů podle hmotnosti, kdy se do magnetického pole zavede proud *iontů a jejich dráhy jsou pak ohýbány s různým poloměrem podle toho, jakou mají hmotnost (Toto je i jeden ze způsobů, jak lze obohacovat uran. Je velmi precizní: Čistota U235 dosahuje přes 90 %, ale také velmi pomalý.).

Elektromagnetická indukce

Cívka (elektromagnet) spotřebuje na vytvoření svého magnetického pole jistou energii a pokud jí přestane procházet proud, tato energie se nemůže "jen tak ztratit". - Musí se jedině přeměnit na jinou a tak se změní zpět v elektrickou. To v praxi znamená, že cívka naindukuje takové napětí, aby proud procházel dál. Jak se energie průchodem proudu jejím vnitřním odporem mění v teplo, proud klesá. Podobně i na začátku proud postupně stoupá, jak se vytváří magnetické pole. Rychlost nárůstu proudu při jednotkovém napětí definuje její indukčnost. Obecně platí:
Výpočet energie uložené v cívce

kde E je energie v joulech (Ws) L je indukčnost v henri a I je proud v ampérech.

Pro rychlost změn proudu platí:
Výpočet strmosti změn proudu

kde Si je strmost v ampérech za sekundu, U je napětí ve voltech a L indukčnost v henri.

Připojíme-li cívku o indukčnosti 1 H na zdroj napětí 1 V, proud dosáhne za dobu 1 s hodnoty 1 A. V ideálním případě by proud začal po připojení cívky na zdroj napětí lineárně růst a rostl by stále stejnou rychlostí až do nekonečna. Ve skutečnosti proud stoupá skoro rovnoměrně, pouze dokud je úbytek napětí na odporu zanedbatelný, ale potom se čím dál tím pomaleji blíží k velikosti dané napětím a odporem. S poklesem je to obdobné, jen čím déle tím méně klesá. Obecně můžeme říci: Indukčnost se vždy snaží zabránit změně proudu. Pro ilustraci uvádím jednoduchý pokus (na obrázku):
Pokus: Vlastní indukčnost

Po sepnutí spínače začne cívkou procházet proud, který se brzy přibíží k hodnotě 10 A (naznačen zelenou šipkou). Pokud nyní rozepneme spínač, může proud procházet pouze druhým odporem (fialová šipka), na kterém bylo do teď nulové napětí. Aby cívkou i nadále mohlo procházet 10 A musí naindukovat 1 kV, který "protlačí" 10 A skrz stoohmový odpor. Tím ale na tomto odporu vzniká ztrátový výkon 10 kW a cívka tudíž velmi rychle ztrácí nahromaděnou energii a odpovídajíce tomu také klesá proud jí procházející a úbytek napětí na odporu.
Cívka se tedy dá použít i jako akumulátor energie. Toho se běžně využívá v různých typech spínaných zdrojů, kde se do ní nejprve energie uloží a po té se zas odebere, ale již při jiném napětí a proudu. Supravodivé cívky se dokonce dají použít i jako opravdový akumulátor, protože ztráty na jejich odporu jsou zanedbatelné. - Jejich hlavním užitím je zatím jen napájení zařízení s velkým pulsním příkonem (např. termojaderné reaktory), kde se nejprve do cívky postupně nabije několik megawatthodin a potom se celá tato energie uvolní během zlomku sekundy.
V budoucnu, až budou supravodiče dostupnější, bude možno této technologie užívat i k běžným účelům, jako jsou například velké záložní zdroje, nebo elektromobily, které by takto mohly mít dojezd i několik tisíc kilometrů na jedno nabití (které ostatně nemusí trvat moc dlouho) a výkon motorů by prakticky nebyl omezen.
Cívka tedy vždy snaží naindukovat napětí takové velikosti a polarity, aby se proud v daném okamžiku nemohl změnit. Ke změně pak dojde pouze tehdy, když se výkonem jí dodávaným nebo spotřebovávaným změní energie v ní uložená. Tyto zákonitosti samozřejmě platí i obráceně: Pokud se mění magnetické pole, cívka indukuje napětí takové velikosti a polarity, aby jím vytvořený proud působil proti změně. - To platí jak pro pole vytvořené pohybujícím se magnetem, tak i pro pole vytvořené jinou cívkou. Pokud umístíme dvě cívky tak, aby pole jedné procházelo i druhou, projeví se jakákoli změna proudu v obou. Mají-li rozdílný počet závitů, je poměr indukovaných napětí roven poměru počtu závitů a poměr proudů jeho převrácené hodnotě:
Transformační poměr

kde n je počet závitů (bezrozměrné), U je napětí ve voltech a I proud v ampérech.
Další podrobnosti viz. kapitola o cívkách a transformátorech.


<< Předchozí      Obsah      Další >>