Pole magnetyczne i indukcja elektromagnetyczna

Lekcja obejmuje pole magnetyczne i indukcję elektromagnetyczną — jeden z bardziej wymagających działów na maturze rozszerzonej z fizyki, łączący elektryczność, magnetyzm i geometrię wektorową. Uczeń poznaje pole magnetyczne wokół przewodnika prostoliniowego z prądem (linie pola jako współśrodkowe okręgi, malejące natężenie z odległością) oraz regułę prawej dłoni do wyznaczania kierunku pola wokół przewodnika i wewnątrz zwojnicy. Omówiona jest siła elektrodynamiczna F = B·I·l·sin(α), działająca na przewodnik z prądem w polu magnetycznym, oraz siła Lorentza F = q·v·B·sin(α), działająca na poruszający się ładunek — uczeń ćwiczy oba wzory na konkretnych przykładach liczbowych, w tym analizę, kiedy siła Lorentza wynosi zero (ruch równoległy do pola lub cząstka w spoczynku). Szczególną uwagę poświęcono ruchowi cząstki naładowanej w polu magnetycznym: siła Lorentza pełni rolę siły dośrodkowej, powodując ruch po torze kołowym, przy czym nie wykonuje pracy (energia kinetyczna cząstki jest stała), a okres obiegu T = 2πm/(qB) jest niezależny od prędkości cząstki. Druga część lekcji dotyczy indukcji elektromagnetycznej: strumienia magnetycznego Φ = B·S·cos(α), prawa Faradaya opisującego powstawanie siły elektromotorycznej wskutek zmiany strumienia w czasie, oraz reguły Lenza, według której prąd indukowany zawsze przeciwdziała zmianie strumienia, który go wywołał — zgodnie z zasadą zachowania energii. Zestaw kończy się zastosowaniami praktycznymi (prądnica, transformator) i łączy pytania koncepcyjne z zadaniami obliczeniowymi, a fiszki podsumowują wszystkie wzory potrzebne do powtórki przed maturą.

• Wyznaczyć kierunek pola magnetycznego wokół przewodnika za pomocą reguły prawej dłoni
• Obliczyć siłę elektrodynamiczną działającą na przewodnik z prądem w polu magnetycznym
• Obliczyć siłę Lorentza działającą na poruszający się ładunek
• Opisać ruch cząstki naładowanej w polu magnetycznym jako ruch po okręgu
• Zastosować prawo Faradaya i regułę Lenza do opisu indukcji elektromagnetycznej
• Wyjaśnić zasadę działania prądnicy w oparciu o zmianę strumienia magnetycznego

Temat obejmuje pole magnetyczne wokół przewodnika, regułę prawej dłoni, siłę elektrodynamiczną F = B·I·l·sin(α), siłę Lorentza F = q·v·B·sin(α), ruch cząstki naładowanej po okręgu oraz indukcję elektromagnetyczną (prawo Faradaya, strumień magnetyczny, reguła Lenza) — zgodnie z podstawą programową matury z fizyki, poziom rozszerzony.