Pole magnetyczne
jest wytwarzane przez:
- magnes trwały
- przewód, w którym płynie prąd elektryczny
- zwojnicę (czyli zwinięty przewód, w którym płynie prąd)
- Ziemię i inne ciała niebieskie
Pole magnetyczne wytwarzane przez przewód, w którym płynie prąd po zwinięciu przewodu w zwojnicę staje się silniejsze.
Zwojnicę, której zwoje są nawinięte ciasno nazywa się soleniodem.
W przyrodzie wystepuje ruda żelaza, zwana magnetytem, która posiada własności magnetyczne.
Magnes zawsze jest dipolem - nie można biegunów magnesu rozdzielić, czyli nie można utworzyć monopolu magnetycznego.
Bieguny jednoimienne się odpychają a różnoimienne się przyciągają.
W 1820 roku duński fizyk Oersted stwierdzić, że wokół przewodnika z prądem powstaje kołowe pole magnetyczne.
Linie pola magnetycznego
Zawsze używamy zwrotu "linie pola magnetycznego" lub "linie indukcji magnetycznej"
Zwrot linii pola jest umowny - przyjmujemy, że linie pola "wychodzą" z północnego bieguna i "wchodzą" do bieguna południowego.
Zagęszczenie linii pola magnetycznego jest większe tam, gdzie pole jest silniejsze a mniejsze tam, gdzie pole jest słabsze.
Linie pola wokół przewodnika z prądem są liniami zamkniętymi - okręgami. W ich centrum znajduje się przewód. Zwrot linii określa reguła prawej dłoni - kciuk ustawiamy zgodnie z kierunkiem prądu w przewodniku a pozostałe palce wskazują zwrot linii pola magnetycznego.
Zwojnica, czyli cewka, czyli solenoid (zwojnica o ściśle nawiniętych zwojach) to przewód zwinięty w wiele zwojów, zazwyczaj wokół rdzenia z ferromagnetyka. Wewnątrz zwojnicy, z dala od zewnętrznych zwojów, linie pola są równoległe, czyli pole jest jednorodne. Zwrot linii pola i bieguny "magnesu", którym staje sie cewka, przez którą płynie prąd pozwala określać kolejna reguła prawej dłoni: prawą dłonią obejmujemy zwojnicę tak, aby palce były ułożone zgodnie z kierunkiem prądu płynącego w zwojach, kciuk pokaże "biegun północny" zwojnicy.
Substancje w polu magnetycznym
Źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki elektryczne. W przewodzie, w którym płynie prąd, tych ładunków jest bardzo dużo.
W atomie - ruch pojedynczego elektronu stanowi wewnątrzatomowy prąd elektryczny. Atom działa jak mały magnes.
Atomy można podzielić na dwie grupy:
- atomy, w których poruszające sie na orbitach elektrony wytwarzają wokół atomu pole magnetyczne;
- atomy, w których pole magnetyczne wytwarzane przez elektrony poruszające się na orbitach niweluje się i w efekcie pole magnetyczne atomu jest równe zero.
Substancje ze względu na ich zachowanie w polu magnetycznym można podzielić na trzy grupy:
- diamagnetyki
- paramagnetyki
- ferromagnetyki
Diamagnetyki to substancje zbudowane z atomów drugiego rodzaju, czyli takich, które same nie są "małymi magnesami". Po umieszczeniu diamagnetyka w polu magnetycznym można atomy namagnesować, ale tylko nietrwale i wymuszone pole magnetyczne będzie słabe a zwrot jego linii będzie przeciwny do zwrotu linii pola wymuszającego.
Nadprzewodniki czyli substancje, których opór elektryczny maleje do zera w bardzo niskich temperaturach (ok. kilku Kelwinów), są diamagnetykami o wyraźnych własnościach. Wyindukowane pole magnetyczne nadprzewodnika jest dość silne, zwykle o wartości równej wartości pola wymuszającego ale oczywiście o przeciwnym zwrocie.
Paramagnetykisą zbudowane z atomów, które wytwarzają pola magnetyczne wokół siebie. Jednak na skutek ruchów termicznych atomy ustawiają się w różnych płaszczyznach
i kierunkach - skutkiem tego całkowite pole magnetyczne ciała makroskopowego jest równe zero. Paramagnetyki łatwo namagnesować umieszczając je w zewnętrznym polu magnetycznym. Atomy ustawiają się wtedy w tę sama stronę (zgodnie z polem zewnętrznym) i ich pola magnetyczne mają wtedy ten sam zwrot. Jednak po usunęciu zewnętrznego pola magnetycznego ruchy terniczne atomów szybko powodują "pomieszanie" kierunków cząstkowych pól magnetycznych i ciało się rozmagnesowuje.
Ferromagnetyki są również ciałami zbudowanymi z atomów, które wytwarzają pola magnetyczne wokół siebie, ale ruchy termiczne atomów są niewielkie, więc ustawienie atomów w ciele makroskopowym mało się zmienia. Na skutek zwajemnych oddziaływań atomy układają się w tzw. domeny magnetyczne (tworzą obszary namagnesowane), czyli obszary, w których atomy ustawione są tak, że pola magentyczne przez nie wytwarzane mają zgodne zwroty. Po umieszczeniu ciała makroskopowego w zewnętrznym polu magnetycznym domeny "rozrastają się",atomyustawiają się godnie z zewnętrznym polem. Namagnesowane ferromegnatyka jest dość trwałe, dlatego z tych substancji robi się magnesy trwałe.
Temperatura Curie - to temperatura, w której atomy ferromagnetyka zaczynają poruszać sie na tyle szybko, że po usunięcia ciała z zewnętrznego pola magnetycznego rozmagnesowuje się ono, czyli ferromagetyk staje się paramagnetykiem.
Z drugiej strony, w temperaturze Curie atomy paramagnetyka spowalniają swój ruch tak, że po usunięciu ciała z zewnętrznego pola magnetycznego nie rozmagnesowuje się ono szybko, czyli paramagetyk staje się ferromagnetykiem.
Natężenie i indukcja pola magnetycznego
Pole magnetyczne można opisać ilościowo za pomocą indukcji pola B. Jest to wielkość wektorowa o kierunku zgodnym z kierunkiem linii pola magnetycznego i styczna do tych linii.
Jednostką indukcji pola jest tesla. Mówimy, że pole magnetyczne ma indukcję o wartości 1 tesli, to na cząstkę o ładunku 1 C poruszającą się z prędkością 1 m/s2 prostopadle do linii pola działa siła 1 N. 1 tesla jest dużą jednostką.
Przykładowe indukcje pól magnetycznych:
| obiekt | wartość indukcji pola |
|---|---|
| pole magnetyczne Ziemi | 4,7 * 10-5 T |
| serce człowieka | 5*10-11 |
| szkolny magnes | 10 -3 T |
| karta magentyczna | 10 -2 T |
| rezonans magentyczny | 4 T |
| gwiazdy neutronowe | 7 * 108 T |
Natężenie pola magnetycznego oznaczane jest jako H. Jest to wektor, którego wartość jest powiązana z indukcją pola B zależnością
(1)gdzie
μ - przenikalność magentyczna substancji
μ0 - względna przenikalność magentyczna próżni
Pole magnetyczne wokół przewodników o różnych kształtach
Prawo Ampere'a pozwala obliczyć natężenie pola magnetycznego wokół przewodników z prądem.
Linie pola magnetycznego wokół prostoliniowego przewodnika z prądem mają kształt współśrodkowych okręgów, co oznacza, że natężenie pola magnetycznego w punkcie przestrzeni zależy od odległości tego punktu od przewodnika i od natężenie prądu w tym przewodniku. We wsyztskich punktach jednakowo odlegóych od przwodnika (czyli na okręgu, w którego środku jest przewodnik) natężenie pola magnetycznego ma taką samą wartość. Wektor natężenia jest w każdym punkcie tego okręgu do niego styczny. Powstałe pole magnetyczne jest polem wirowym.
Indukcja pola magnetycznego :
w odległości r od bardzo długiego przewodnika, w którym płynie prąd o natężeniu I
we wnętrzu solenoidu o n zwojach i długości l przez który płynie prąd o natężeniu I
(4)Jeżeli solenoid ma rdzeń o przenikalności magentycznej μ to
(5)w środku okręgu o promieniu r utworzonego z przewodnika, w którym płynie prąd o natężeniu I
(6)w punkcie A leżącym w odległości r od przewodnika o określonej długości (czyli niezbyt długiego), w którym płynie prąd o natężeniu I, gdzie α i β są kątami pomiędzy odcinkami łączącymi końce przewodnika i punkt A a odcinkiem prostopdłym do przewodnika łączącym punkt A i przewodnik
(7)Siła elektrodynamiczna
Na przewodnik, w którym płynie prąd, umieszczony w polu magnetycznym działa tzw. siła elektrodnamiczna.
Siła Lorentza
Na ładunek elektryczny, który porusza się w polu magentycznym działa siła Lorentza.
Zależy ona od:
- indukcji pola magnetycznego
- ładunku cząstki
- prędkości cząstki
- kąta pomiędzy wektorami prędkości i indukcji magnetycznej
