Ενότητα 9: Ηλεκτρομαγνητισμός

1. Ο μαγνήτης

Μαγνήτες ονομάζονται τα σώματα, τα οποία έχουν την ιδιότητα να έλκουν αντικείμενα 
που περιέχουν σιδηρομαγνητικά υλικά, όταν βρεθούν σε κάποια ικανή απόσταση μεταξύ
τους ή από επαφή.
Σιδηρομαγνητικά υλικά είναι ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο και τα κράματά τους.
Οι μαγνήτες διακρίνονται σε φυσικούς και τεχνητούς.
  • Οι φυσικοί μαγνήτες κατασκευάζονται από μαγνητίτη.
  •  Οι τεχνητοί μαγνήτες κατασκευάζονται από σιδηρομαγνητικά υλικά και διακρίνονται                                                          σε δύο κατηγορίες: σε μόνιμους και προσωρινούς μαγνήτες.                                                                  Οι συνηθέστερες μορφές τους είναι:
  1. Μαγνητική βελόνα
  2. Πεταλλοειδής  μαγνήτης
  3. Ραβδόμορφος μαγνήτης                                                               
              
                                              
                          1. Μαγνητική βελόνα                                                         2. Πεταλλοειδής μαγνήτης                                                       3. Ραβδόμορφος μαγνήτης
Τα κυριότερα χαρακτηριστικά της μαγνητικής δύναμης είναι:
  • Δύναμη η οποία δρα από απόσταση ή με επαφή.
  • Εξάρτηση από την απόσταση του μαγνήτη με το αντικείμενο. Όσο μικρότερη η απόσταση,                                            τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη.
  • Εξάρτηση από το είδος του μαγνήτη, γιατί όλοι οι μαγνήτες δεν είναι το ίδιο δυνατοί.

Ένα αντικείμενο που είναι κατασκευασμένο από σιδηρομαγνητικό υλικό, μπορεί να μαγνητιστεί 
με τρεις τρόπους:
  • Με επαφή
  • Με τριβή
  • Με επαγωγή


Πατήστε πάνω στις εικόνες και δείτε πως έλκονται και πως απωθούνται οι μαγνήτες.

2. Ο μαγνήτης προσανατολίζεται

Μαγνητικοί πόλοι ονομάζονται οι περιοχές ενός μαγνήτη στις οποίες αναπτύσσονται κυρίως οι μαγνητικές δυνάμεις.
π.χ. Στον ραβδόμορφο μαγνήτη, οι πόλοι του βρίσκονται στις άκρες του μαγνήτη.
Τα μόρια ενός μαγνήτη συμπεριφέρονται και αυτά ως μαγνήτες. Μάλιστα, ακόμα κι ένας
 μοριακός  μαγνήτης έχει δύο πόλους. Δεν έχει εντοπιστεί στη φύση απομονωμένος ένας 
μαγνητικός πόλος.
Στη φύση υπάρχουν δύο είδη μαγνητικών πόλων. Η δύναμη που εμφανίζεται μεταξύ δύο 
όμοιων πόλων είναι απωστική, ενώ αυτή που εμφανίζεται μεταξύ διαφορετικών πόλων είναι ελκτική.


Το μαγνητικό πεδίο της Γης μοιάζει με το πεδίο ενός τεράστιου ραβδόμορφου μαγνήτη, του οποίου ο βόρειος πόλος βρίσκεται κοντά στον νότιο γεωγραφικό πόλο της Γης και αντίστοιχα, ο νότιος κοντά στον βόρειο γεωγραφικό. Αν κρεμάσουμε έναν μαγνήτη από μια κλωστή και τον αφήσουμε να ισορροπήσει,τότε ο ένας πόλος του στρέφεται προς τον Βορρά και λέγεται βόρειος μαγνητικός πόλος και ο άλλος προς τον νότο και λέγεται νότιος μαγνητικός πόλος.
Κάντε κλικ στην παραπάνω εικόνα. Καθώς η μαγνητική βελόνα περιστρέφεται γύρω από τους πόλους του μαγνήτη,
 ο πόλος της  έλκεται από τον αντίθετο πόλο του μαγνήτη.

3. Από τον ηλεκτρισμό στον μαγνητισμό - ο ηλεκτρομαγνήτης

Όταν ένα καλώδιο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα αποκτά μαγνητικές ιδιότητες.
Όταν ένα καλώδιο είναι τυλιγμένο σαν ελατήριο (σπειροειδώς), ονομάζεται πηνίο (ή σωληνοειδές).
Όταν ένα πηνίο συνδεθεί με μια ηλεκτρική πηγή, αποκτά μαγνητικές ιδιότητες εντονότερες από
αυτές του καλωδίου που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Τοποθετώντας μια ράβδο από σίδηρο (σιδερένιος πυρήνας) στο εσωτερικό ενός πηνίου
φτιάχνουμε έναν ηλεκτρομαγνήτη. Οι μαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτομαγνήτη είναι πολύ
πιο έντονες από αυτές του πηνίου.
Οι ηλεκτομαγνήτες, αντίθετα από τους μόνιμους μαγνήτες, παρουσιάζουν μαγνητικές ιδιότητες (μαγνητίζονται)
μόνο όταν διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν δε διαρρέονται από ρεύμα, οι μαγνητικές τους ιδιότητες
εξαφανίζονται. (απομαγνητίζονται).
Οι ηλεκτομαγνήτες χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, όπως οι ηλεκτρομαγνητικοί γερανοί,
τα ηλεκτρικά κουδούνια και τα τηλέφωνα.
Στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα έκαναν την εμφάνισή τους οι μηχανές εσωτερικής καύσης
και οι ηλεκτροκινητήρες. Η χρήση ηλεκτροκινητήρων είναι πολύ πιο φιλική για το περιβάλλον,
καθώς οι κινητήρες αυτοί δεν εκπέμπουν ρύπους και είναι λιγότερο θορυβώδεις. Το μεγαλύτερο
πρόβλημα για την ευρύτερη χρήση των ηλεκτροκινητήρων είναι η αποθήκευση της ενέργειας.
Ηλεκτρομαγνήτες ακόμα χρησιμοποιούνται στα εναέρια τρένα (λόγω της μεγάλης ταχύτητας που
αναπτύσσουν, τοποθετούνται ηλεκτρομαγνήτες στα τρένα και στις ράγες). Έτσι δημιουργούνται
απωστικές δυνάμεις γιατί οι όμοιοι πόλοι του ηλεκτρομαγνήτη απωθούνται και έτσι το τρένο αιωρείται
σε απόσταση 1 εκ από τις ράγες).

Κάνε κλικ στην εικόνα για να δεις μια εφαρμογή του ηλεκτρομαγνήτη διαδραστικά.

4. Από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό - Η ηλεκτρογεννήτρια

Ένα πηνίο όταν διαρρέεται από ρεύμα, παρουσιάζει μαγνητικές ιδιότητες και όταν ένας μαγνήτης
βρεθεί στο εσωτερικό του περιστρέφεται. Ισχύει όμως και το αντίστροφο, δηλαδή όταν ένας
μαγνήτης περιστρέφεται μέσα σ' ένα πηνίο, τότε το πηνίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.

Αλλά και το πηνίο που περιστρέφεται γύρω από ένα μαγνήτη, επίσης διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα.
Αυτό το φαινόμενο αξιοποιείται στις συσκευές που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα, τις γεννήτριες. Έτσι:

  • ο μαγνήτης στο δυναμό του ποδηλάτου περιστρέφεται από τη ρόδα όταν κινούμαστε
  • στις ανεμογεννήτριες, ο μαγνήτης κινείται από την έλικα, η οποία κινείται λόγω του ανέμου
  • στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια, ο μαγνήτης περιστρέφεται από έναν υδροστρόβιλο,
    ο οποίος κινείται με το νερό που πέφτει ορμητικά από μια φυσική ή τεχνητή λίμνη
  • στα ατμοηλεκτρικά εργοστάσια, ο μαγνήτης της γεννήτριας περιστρέφεται από έναν ατμοστρόβιλο.
    Για τη θέρμανση του νερού και τη δημιουργία ατμού στα εργοστάσια αυτά, χρησιμοποιούνται ως
    καύσιμα οι γαιάνθρακες, το πετρέλαιο ή το φυσικό αέριο
  • Ένας ηλεκτρικός κινητήρας (μοτέρ) δουλεύει όπως η γεννήτρια, αλλά με αντίθετο τρόπο, δηλαδή
    χρησιμοποιεί το ηλεκτρικό ρεύμα για να περιστρέψει το μαγνήτη και να λειτουργήσει.     Ο Άγγλος
    Michael Faraday, στα μέσα του 19ου αιώνα, κατασκεύασε τους πρώτους ηλεκτρικούς κινητήρες
    και τις πρώτες ηλεκτρογεννήτριες, συσκευές που δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα.
α) στο δυναμό του ποδηλάτου
β) στα υδροηλεκτρικά εργοστάσια
γ) στα ατμοηλεκτρικά (θερμοηλεκτρικά) εργοστάσια
δ) στις ανεμογεννήτριες