Pole magnetyczne to obszar, w którym na poruszające się ładunki elektryczne, przewodniki z prądem i magnesy działają siły magnetyczne. W elektrotechnice najczęściej mówisz o nim wtedy, gdy przez przewód płynie prąd, a wokół niego pojawia się oddziaływanie opisane m.in. indukcją magnetyczną B w teslach [T].
Zostań elektrykiem z uprawnieniami SEP
Kurs online G1 / G2 / G3 + egzamin państwowy - 100% zdawalności
z kodem ELEKTRYCZKA = 5% rabatu!
Czym dokładnie jest pole magnetyczne?
Wyobraź sobie wentylator, którego nie widzisz, ale czujesz na skórze ruch powietrza. Z polem magnetycznym jest podobnie: samo pozostaje niewidoczne, ale zdradza się skutkiem — odchyleniem igły kompasu, siłą działającą na przewodnik albo momentem obrotowym silnika. Właśnie dlatego w technice nie opisuje się go „na oko”, tylko wielkościami fizycznymi, przede wszystkim indukcją magnetyczną B [T] i natężeniem pola H [A/m].
Źródłem pola może być magnes trwały, poruszający się ładunek albo — co dla elektryka najważniejsze — prąd płynący w przewodniku. Im większy prąd i im mniejsza odległość od przewodu, tym silniejsze pole. Dla długiego prostego przewodnika zależność opisuje prosty wzór.
B = μ · I / (2πr)
- B — indukcja magnetyczna [T],
- μ — przenikalność magnetyczna ośrodka,
- I — prąd [A],
- r — odległość od przewodu [m].
Ten wzór dobrze pokazuje praktykę: jeśli przewodem płynie 20 A, to pole przy jego powierzchni jest wyraźnie większe niż przy przewodzie obciążonym 2 A, a po odsunięciu się od żyły o kilka centymetrów szybko maleje. Dlatego rozkład przewodów w kablu wielożyłowym ma znaczenie — pola poszczególnych żył częściowo się znoszą.
Co wytwarza pole magnetyczne i jak układają się jego linie?
W pytaniach egzaminacyjnych często wraca nie sama definicja, ale to, skąd pole bierze się w praktyce. Wokół prostego przewodu z prądem linie pola mają kształt współśrodkowych okręgów. W cewce zagęszczają się wewnątrz uzwojenia, a po włożeniu rdzenia ferromagnetycznego strumień rośnie wielokrotnie, bo stal ma dużo większą przenikalność magnetyczną niż powietrze.
| Źródło pola | Jak wygląda pole | Przykład z elektrotechniki |
|---|---|---|
| Prosty przewód z prądem | Okręgi wokół żyły zgodnie z regułą prawej dłoni | Przewód zasilający obwód 230 V |
| Cewka | Pole skupione wzdłuż osi uzwojenia | Stycznik, przekaźnik, elektrozawór |
| Magnes trwały | Linie wychodzą od bieguna N i wracają do S | Czujnik kontaktronowy, głośnik, enkoder |
| Rdzeń transformatora | Strumień zamyka się w obwodzie magnetycznym | Transformator 230/24 V |
Kierunek linii pola wyznaczasz regułą prawej dłoni: kciuk pokazuje zwrot prądu, a zagięte palce — zwrot linii pola wokół przewodnika. To prosty skrót, ale bardzo użyteczny przy cewkach, silnikach i pytaniach o kierunek siły elektrodynamicznej.
Indukcja magnetyczna, natężenie pola i siła działania
Dwie wielkości pojawiają się najczęściej: indukcja magnetyczna B, podawana w teslach [T], oraz natężenie pola H, podawane w amperach na metr [A/m]. W próżni łączy je prosta zależność, a w rdzeniach ferromagnetycznych mocno zmienia ją przenikalność magnetyczna.
B = μ · H
- B — indukcja magnetyczna [T],
- μ — przenikalność magnetyczna ośrodka,
- H — natężenie pola [A/m].
W urządzeniach liczy się skutek pola, czyli siła. Na przewodnik o długości l, przez który płynie prąd I, w polu działa siła elektrodynamiczna. To właśnie ta zależność wprawia w ruch wirnik silnika i membranę głośnika.
F = B · I · l · sin α
- F — siła [N],
- B — indukcja magnetyczna [T],
- I — prąd [A],
- l — długość przewodnika w polu [m],
- α — kąt między przewodnikiem a liniami pola.
Jeżeli przewodnik jest ustawiony równolegle do linii pola, to sin α = 0 i siła nie występuje. Maksimum pojawia się przy kącie 90°, bo wtedy sin α = 1. Taki detal często rozstrzyga, czy odpowiedź na egzaminie SEP jest pełna, czy tylko „mniej więcej poprawna”.
Gdzie spotkasz pole magnetyczne w instalacjach i urządzeniach?
Pole magnetyczne stoi za działaniem większości aparatów, z którymi pracujesz. Bez niego nie zadziała transformator, bo napięcie wtórne powstaje dzięki zmiennemu strumieniowi w rdzeniu. Bez niego nie ruszy silnik indukcyjny 400 V, bo moment obrotowy bierze się z oddziaływania pola stojana i prądów w wirniku. To samo dotyczy styczników, przekładników prądowych, dławików i czujników Halla.
W domowej instalacji 230 V pole magnetyczne pojawia się wokół każdego przewodu obciążonego prądem, ale przy poprawnym prowadzeniu żył roboczych blisko siebie jego oddziaływanie na otoczenie jest ograniczone. Większe znaczenie ma ono w transformatorach, rozdzielnicach i szafach sterowniczych, gdzie płyną prądy rzędu kilkunastu, kilkudziesięciu albo kilkuset amperów.
Jeśli mówisz o pomiarach i bezpieczeństwie, sięgnij do normy PN-EN 62233, która opisuje metody pomiaru pól elektromagnetycznych wytwarzanych przez urządzenia gospodarstwa domowego i podobne. W środowisku pracy ocenia się także ekspozycję na pola elektromagnetyczne, bo silne pola niskiej częstotliwości mogą wpływać na aparaturę pomiarową, czujniki i urządzenia medyczne. Z tematami pola, indukcji i reguły prawej dłoni regularnie zetkniesz się na egzaminie SEP grupy 1, zwłaszcza przy pytaniach o transformatory, silniki i zjawisko indukcji.
Najczęściej zadawane pytania
Pole magnetyczne oznacza obszar, w którym na ładunki w ruchu, przewodniki z prądem albo magnesy działa siła magnetyczna. W elektrotechnice najczęściej opisujesz je przez indukcję magnetyczną B w teslach i obserwujesz tam, gdzie płynie prąd lub pracuje cewka.
Indukcja magnetyczna B to wielkość opisująca, jak silne jest pole magnetyczne w danym punkcie. Jej jednostką jest tesla [T], a w praktyce mówi Ci ona, jak duża siła może działać na przewodnik z prądem lub poruszający się ładunek.
Najprościej zapamiętać trzy źródła: magnes trwały, poruszający się ładunek elektryczny i prąd płynący w przewodniku lub uzwojeniu. Dla elektryka najważniejszy jest trzeci przypadek, bo właśnie tak działają cewki, styczniki, transformatory i silniki.
