Nad Kompasem Ustawiono Przewód Tak Jak Pokazano Na Rysunku Obok

Na stole leży kompas. Klasyczny, okrągły, z ruchomą igłą wskazującą kierunek północny. Obok niego znajduje się przewód elektryczny. Miedziany, w gumowej izolacji, zakończony z jednej strony wtyczką, a z drugiej – po prostu obnażonymi żyłami. Wyobraźmy sobie, że ten przewód ustawiamy nad kompasem. Nie byle jak – zgodnie z rysunkiem.

Czyli? Przewód biegnie równolegle do osi północ-południe, dokładnie nad środkiem tarczy kompasu. Igła kompasu spoczywa spokojnie, wskazując północ. Podłączamy przewód do źródła prądu.

Co się dzieje z igłą kompasu?

Obserwujemy uważnie. Igła kompasu zaczyna się poruszać. Odchyla się od swojego pierwotnego położenia. Kąt odchylenia zależy od wielu czynników, ale to w tej chwili mniej istotne. Ważne jest, że igła reaguje na obecność prądu płynącego w przewodzie. Prąd zostaje wyłączony. Igła kompasu wraca do swojej pozycji wyjściowej, wskazując ponownie północ.

Powtarzamy eksperyment. Ponownie umieszczamy przewód nad kompasem, równolegle do osi północ-południe. Włączamy prąd. Igła kompasu znowu się odchyla. Tym razem zwiększamy natężenie prądu. Odchylenie igły jest teraz większe niż poprzednio. Wyłączamy prąd. Igła wraca na swoje miejsce.

Eksperyment można powtarzać wielokrotnie, zmieniając różne parametry. Można zmieniać natężenie prądu, kierunek przepływu prądu, odległość przewodu od kompasu. Można eksperymentować z różnymi rodzajami przewodów. Ale za każdym razem, gdy w przewodzie płynie prąd, igła kompasu reaguje.

Zmieńmy nieco konfigurację. Zamiast jednego przewodu, użyjmy cewki. Nawijamy przewód na cylindrycznym rdzeniu, tworząc cewkę. Umieszczamy cewkę nad kompasem, tak aby jej oś była prostopadła do tarczy kompasu. Podłączamy cewkę do źródła prądu.

Igła kompasu znowu się odchyla. Tym razem jednak odchylenie jest bardziej wyraźne, bardziej gwałtowne. Zmieniamy kierunek przepływu prądu w cewce. Kierunek odchylenia igły kompasu również się zmienia.

Możemy również eksperymentować z różnymi rodzajami rdzeni w cewce. Możemy użyć rdzenia stalowego, żelaznego, albo pozostawić cewkę bez rdzenia. W każdym przypadku igła kompasu będzie reagować na obecność prądu w cewce, ale intensywność reakcji będzie różna.

Zależność odległości

Odsuwamy przewód z prądem od kompasu. Najpierw na niewielką odległość, potem na coraz większą. Obserwujemy, jak zmienia się odchylenie igły kompasu. Im dalej od kompasu znajduje się przewód z prądem, tym mniejsze jest odchylenie igły. W pewnym momencie, gdy odległość jest wystarczająco duża, odchylenie staje się niezauważalne.

Podobnie jest z cewką. Im dalej od kompasu znajduje się cewka z prądem, tym mniejsze jest odchylenie igły. Odległość ma kluczowe znaczenie.

Zamiast pojedynczego kompasu, możemy użyć kilku kompasów. Ustawiamy je w różnych miejscach wokół przewodu z prądem. Obserwujemy, jak reagują igły poszczególnych kompasów. Okazuje się, że kierunek i intensywność odchylenia igły zależy od położenia kompasu względem przewodu.

To samo dotyczy cewki. Ustawiamy kilka kompasów wokół cewki i obserwujemy ich reakcje. Widzimy, że igły kompasów odchylają się w różnych kierunkach, tworząc swoisty wzór. Wzór ten zależy od kształtu i wielkości cewki, od natężenia prądu w cewce, oraz od obecności rdzenia.

Można by również użyć specjalnej płytki demonstracyjnej, na której umieszczono małe kompasiki. Ustawienie takiej płytki w pobliżu przewodu lub cewki z prądem daje bardzo wyraźny obraz pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd elektryczny. Każdy kompasik ustawia się zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego w danym punkcie przestrzeni.

Możemy też spróbować użyć różnych rodzajów przewodów. Miedzianych, aluminiowych, stalowych. Okazuje się, że rodzaj materiału, z którego wykonany jest przewód, ma niewielki wpływ na odchylenie igły kompasu. Ważne jest przede wszystkim natężenie prądu płynącego w przewodzie.

Podobnie jest z grubością przewodu. Grubszy przewód może przewodzić większy prąd, a większy prąd powoduje większe odchylenie igły kompasu. Ale sam fakt, że przewód jest grubszy, nie ma bezpośredniego wpływu na pole magnetyczne.

Możemy również eksperymentować z różnymi kształtami przewodów. Możemy użyć przewodu prostego, przewodu zagiętego, przewodu zwiniętego w pętlę. Każdy kształt przewodu wytwarza nieco inne pole magnetyczne, co przekłada się na odchylenie igły kompasu.

Podobnie z cewkami. Możemy eksperymentować z różnymi kształtami cewek. Cewka cylindryczna, cewka toroidalna, cewka kwadratowa. Każda cewka wytwarza nieco inne pole magnetyczne.

Możemy również użyć źródła prądu o zmiennym natężeniu. Na przykład, możemy użyć generatora sygnału sinusoidalnego. Włączamy taki generator do przewodu lub cewki i obserwujemy, jak zmienia się odchylenie igły kompasu w czasie. Okazuje się, że odchylenie igły podąża za zmianami natężenia prądu.

Podobnie, możemy eksperymentować z różnymi częstotliwościami sygnału. Zmieniamy częstotliwość sygnału i obserwujemy, jak reaguje igła kompasu. W pewnych zakresach częstotliwości odchylenie igły jest bardzo wyraźne, a w innych zakresach – prawie niezauważalne.

Można również użyć magnesu stałego zamiast przewodu z prądem. Przybliżamy magnes do kompasu i obserwujemy, jak reaguje igła. Okazuje się, że magnes oddziałuje na igłę kompasu podobnie jak przewód z prądem.

Można również użyć kilku magnesów stałych. Ustawiamy magnesy w różnych konfiguracjach i obserwujemy, jak reaguje igła kompasu. Okazuje się, że pole magnetyczne wytwarzane przez kilka magnesów jest sumą pól magnetycznych poszczególnych magnesów.

Możemy również spróbować ekranować kompas przed wpływem pola magnetycznego. Umieszczamy kompas wewnątrz metalowej puszki. Okazuje się, że metalowa puszka skutecznie ekranuje kompas przed wpływem pola magnetycznego.

Podsumowując, umieszczenie przewodu z prądem nad kompasem, zgodnie z opisaną konfiguracją, powoduje odchylenie igły kompasu. Intensywność i kierunek odchylenia zależą od wielu czynników, takich jak natężenie prądu, odległość przewodu od kompasu, kształt przewodu, obecność rdzenia, oraz od obecności innych pól magnetycznych.