ZJAWISKA MAGNETYCZNE

Pole magnetyczne jest to przestrzeń o takiej własności, że na poruszający się w nim elektryczny ładunek działają siły magnetyczne.

Oddziaływanie magnetyczne jest oddziaływaniem na odległość. Podobnie jak pole elektryczne, pole magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola. Są to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w polu magnetycznym.

Pole magnetyczne jest polem wektorowym. Wielkościami fizycznymi używanymi do opisu pola magnetycznego są: indukcja magnetyczna B oraz natężenie pola magnetycznego H. Między tymi wielkościami zachodzi związek:

 gdzie μ – przenikalność magnetyczna ośrodka. Indukcja magnetyczna B jest wprost proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego H, a współczynnikiem proporcjonalności jest przenikalność magnetyczna bezwzględna środowiska μ.μ = μrμ0

gdzie: μr – przenikalność magnetyczna względna środowiska, informująca ile razy przenikalność danego środowiska jest większa lub mniejsza od przenikalności próżni,μ0=4π10-7 H⋅m-1 – przenikalność magnetyczna próżni.

Magnesy to ciała wytwarzające pole magnetyczne. Istnieją również w przyrodzie ciała posiadające własności magnetyczne zwane ferromagnetykami. Są to np. rudy żelaza, zwane magnetytem. Nazwa pochodzi od nazwy miasta Magnezja w Azji Mniejszej, w którego pobliżu znajdowały się rudy magnetytu posiadające własność przyciągania przedmiotów żelaznych.

 

Każdy magnes ma dwa bieguny: północny N i południowy S.

Bieguny N i S różnych magnesów przyciągają się, bieguny jednoimienne (N i N lub S i S) magnesów odpychają się.

Podział magnesu sztabkowego na dwie części nie powoduje rozdzielenia biegunów magnetycznych, lecz powstanie dwu nowych magnesów, z których każdy ma dwa bieguny różnoimienne. Biegunów magnesu nie można oddzielić od siebie, tak jak to można uczynić z różnoimiennymi ładunkami elektrycznymi.

Własności magnetyczne materii zależą od ruchów elektronów w atomach. Oprócz ruchu orbitalnego dokoła jądra każdy elektron wykonuje jeszcze ruch obrotowy dokoła własnej osi, tzw. spin elektronu. Elektron w ruchu spinowym zachowuje się jak mikroskopijny magnes.

Ze względu na wirowanie w przeciwne strony część elektronów w atomie ma spiny dodatnie, a część ujemne tak, że mikromagnesy wewnątrzatomowe kompensują się w przeważającej liczbie albo całkowicie. Zewnętrzne pole magnetyczne powoduje dodatkową orientację magnesów elementarnych i wewnątrz ciała, znajdującego się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, wytwarza się wypadkowe pole magnetyczne.

− Diamagnetyzm objawia się nieznacznym osłabieniem zewnętrznego pola magnetycznego przez ruchy orbitalne elektronów przy całkowitym skompensowaniu mikromagnesów wewnątrzatomowych. Ciała o takich właściwościach nazywamy diamagnetykami, a należą do nich m.in. miedź i bizmut.

− Paramagnetyzm objawia się nieznacznym wzmocnieniem pola magnetycznego zewnętrznego w ciałach, w których każdy atom ma jeden lub więcej nieskompensowanych mikromagnesów wewnątrzatomowych. Ciała o takich właściwościach nazywamy paramagnetykami, a należą do nich m.in. platyna i aluminium.

− Ferromagnetyzm objawia się znacznym wzmocnieniem pola magnetycznego zewnętrznego w ciałach, w których nieskompensowane mikromagnesy wewnątrzatomowe, dzięki odpowiedniej odległości między sąsiednimi atomami, układają się równolegle do siebie w dużych grupach liczących ok. 104 atomów zwanych domenami. W zewnętrznym polu magnetycznym występuje zjawisko polaryzacji ciała ferromagnetycznego na skutek ustawiania się domen w kierunku zgodnym ze zwrotem natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Ferromagnetykami są: żelazo, nikiel i kobalt.

Magnesowanie

Sztabki magnetytu Fe3O4 wytworzonego chemicznie, podobnie jak sztabki z czystego żelaza, nie mają własności magnetycznych. Dopiero umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym stają się magnesami. Jest to zjawisko magnesowania. Magnesowanie polega na porządkowaniu w polu magnetycznym tzw. struktury domenowej istniejącej w pewnych materiałach.

Domeny magnetyczne są to niewielkie (ok. 10 – 100 mm) obszary w materiałach magnetycznych (np. typu żelaza i jego związków), będące swego rodzaju „mikromagnesami” rozmieszczonymi w sposób przypadkowy.

Magnes – ciało, będące źródłem pola magnetycznego.Obiekt będący magnesem ma wyróżnione dwa obszary – tzw. bieguny magnetyczne, oznaczane umownie: N – „biegun północny” i S – „biegun południowy”.

 Sztabkowy

Podkowiasty

Okrągły

Występowanie uporządkowanego rozkładu opiłków żelaznych (małe dipole magnetyczne) nie tylko potwierdza istnienie pola magnetycznego, ale ponadto pokazuje kształt linii tego pola.

a. wokół magnesu sztabkowego

Pole magnetyczne magnesu sztabkowego; kierunek linii pola jest wyznaczony, zgodnie z umową, przez siłę działającą na biegun N magnesu próbnego.

b. wokół magnesu podkowiastego

c. wokół magnesu okrągłego

a. wokół przewodnika prostoliniowego

Źródłem pola magnetycznego jest także przewodnik z prądem. Linie pola mają kształt współśrodkowych okręgów, których środek jest zgodny ze środkiem przewodnika. Zwrot linii pola można określić za pomocą "reguły prawej dłoni" lub "reguły śruby prawoskrętnej".

Reguły prawej dłoni:Jeżeli prawą dłoń ułożymy tak, że odchylony kciuk wskaże nam kierunek przepływu prądu w przewodniku, to pozostałe zgięte palce wskażą kierunek i zwrot linii sił pola magnetycznego.

Reguła śruby prawoskrętnej: śrubę ustawiamy wzdłuż przewodu i obracamy tak, aby ruch postępowy był zgodny ze zwrotem prądu płynącego w przewodzie to wówczas ruch obrotowy wskaże zwrot linii sił pola magnetycznego wokół przewodu.

Stosuje się również oznaczenia: symbol wskazuje, że wektor jest skierowany za płaszczyznę rysunku,

symbol wskazuje, że wektor jest skierowany przed płaszczyzne kartki, kropkę traktujemy jako ostrze strzałki. Np.:

b. wokół przewodnika kołowego i zwojnicy (cewki, solenoidu)

Wewnątrz cewki wytwarzane jest pole jednorodne a na jej końcach linie pola się zakrzywiają i przypominają linie pola magnetycznego magnesu trwałego.

Zwrot linii sił pola magnetycznego wewnątrz solenoidu wyznaczamy stosując regułę prawej dłoni: jeżeli prawą dłoń położymy na solenoidzie tak, aby cztery palce obejmowały solenoid i były zwrócone zgodnie ze zwrotem prądu, to odchylony kciuk wskaże zwrot linii pola magnetycznego wewnątrz solenoidu (czyli wskaże koniec zwojnicy przy którym położony jest biegun północny powstałego magnesu).

Reguła śruby prawoskrętnej: śrubę prawoskrętną ustawiamy równolegle do solenoidu i obracamy zgodnie ze zwrotem prądu wówczas ruch postępowy śruby wyznacza zwrot linii pola wewnątrz solenoidu.

Ziemskie pole magnetyczne - pole magnetyczne występujące naturalnie wokół Ziemi.

Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna geograficznego południowego, a magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego północnego. Linia łącząca bieguny magnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt 11,3°. Pole magnetyczne rozciąga się na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów od Ziemi, a obszar w którym ono występuje nazywa się ziemską magnetosferą.

Ziemia wytwarza pole magnetyczne, a kształt linii ziemskiego pola magnetycznego jest bardzo podobny do linii pola magnesu trwałego.

Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej wewnętrznej budowy. Uważa się, że pole magnetyczne jest skutkiem występujących w jądrze Ziemi bardzo silnych prądów konwekcyjnych, które wywołują ruchy swobodnych elektronów. Pole magnetyczne tworzy magnetosferę ziemską, która rozciąga się z centrum Ziemi do około 70 000 km, a linie pola ulegają ściskaniu od strony Słońca, wskutek czego pole ulega deformacji.

Duży wpływ na zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego ma aktywność słoneczna. Przejawia się ona w fotosferze Słońca w postaci plam i pochodni, w chromosferze jako rozbłyski i protuberancje, a w koronie słonecznej jako wyrzuty materii. Wyrzucona masa z korony słonecznej składa się głównie z elektronów i protonów oraz jonów ciężkich pierwiastków, takich jak hel, tlen, żelazo. Ten strumień cząstek wypływających ze Słońca nazwany jest wiatrem słonecznym.

Skutki zmian pola magnetycznego są tak poważne, że określa się je mianem burz magnetycznych. Powstałe burze magnetyczne mogą spowodować zakłócenia w łączności, uszkodzenia linii przesyłowych energii elektrycznej na rozległych obszarach i zaburzenia łączności radiowej. Wyrzuty koronalne mogą uszkadzać także satelity i stanowią zagrożenie dla astronautów. Silna i szybka zmienność wiatru słonecznego powoduje znaczne zaburzenia w warunkach okołoziemskich.

Najważniejszą rolą, jaką spełnia ziemskie pole magnetyczne, jest ochrona ziemskiej biosfery przed niezwykle szkodliwymi, wysokoenergetycznymi naładowanymi cząstkami wiatru słonecznego emitowanego przez Słońce. Cząstki te po dotarciu do ziemskiej magnetosfery zostają pod wpływem siły Lorentza zmuszone do wędrówki po spiralnych torach wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego od jednego bieguna magnetycznego do drugiego i z powrotem, tworząc tzw. pasy Van Allena. Zatem ziemskie pole magnetyczne więzi te groźne dla życia cząstki zapobiegając ich docieraniu do powierzchni Ziemi. Wyróżniamy zewnętrze pasy radiacyjne Van Allena, w których więzione są elektrony oraz pasy wewnętrzne z uwięzionymi protonami.

Ponieważ największe natężenia tych cząstek występują w obszarach ziemskiego pola magnetycznego o największym natężeniu czyli w pobliżu biegunów magnetycznych, właśnie nad biegunami najintensywniejsze są ich zderzenia z cząsteczkami gazów ziemskiej atmosfery, w wyniku czego obserwujemy burze magnetyczne i zjawisko zórz polarnych.

Zniekształcone pola magnetyczne Ziemi (magnetosfera) przez wiatr słoneczny, białe obszary to uwięzione elektrony i protony czyli pasy van Allena.

Ziemskie pole magnetyczne spełnia również ważną rolę praktyczną w komunikacji lądowej, morskiej i powietrznej poprzez zastosowanie wszelkiego rodzaju kompasów i busol.

SIŁA LORENTZA

Siła Lorentza — siła jaka działa na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym poruszającą się w polu elektromagnetycznym. Wzór podany został po raz pierwszy przez Lorentza i dlatego nazwano go jego imieniem.

Wzór określa, jak siła działająca na ładunek zależy od pola elektrycznego i pola magnetycznego (składników pola elektromagnetycznego):

F = q(E + v × B)

gdzie:F – siła (w niutonach),E – natężenie pola elektrycznego (w woltach / metr),B – indukcja magnetyczna (w teslach),q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach),v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę),× – iloczyn wektorowy.

Terminem „siła Lorentza” określa się czasem samą składowa magnetyczną tej siły (w nieobecności pola elektrycznego):

F = qv × B.

Wartość siły Lorentza jest więc równa: F = q V B sinα, gdzie α jest kątem między wektorami V i B. 

Rysunek przedstawia wzajemne związki pomiędzy wektorami F, V i B:

Ruch cząstki naładowanej w jednorodnym polu magnetycznym.

Tor jaki zakreśla cząstka naładowana w polu magnetycznym zależy od kąta, jaki tworzy kierunek jej prędkości z kierunkiem indukcji magnetycznej.

• Wektory prędkości cząstki V i natężenia pola B są wzajemnie równoległe.Cząstka porusza się wówczas ruchem jednostajnym prostoliniowym, gdyż FL = 0, zaś siłę ciężkości można pominąć ze względu na bardzo małą masę cząstki.

• Wektory prędkości początkowej cząstki V i natężenia pola B są wzajemnie prostopadłe. Torem ruchu cząstki jest wówczas okrąg, gdyż siła Lorentza pełni rolę siły dośrodkowej.

• Wektory prędkości początkowej cząstki i natężenia pola tworzą kąt ostry α. Torem cząstki jest wówczas linia śrubowa.

Statyczne pole magnetyczne nie jest w stanie zmienić wartości prędkości cząstki naładowanej, gdyż praca pola magnetycznego wykonana nad cząstką naładowaną jest równa zero. Pole magnetyczne może, co najwyżej zmienić kierunek wektora prędkości, czyli zakrzywiać tor cząstki.

Krzywe utworzone przez tory dodatniego (q>0) elektronu (pozytonu) i ujemnego (q<0) elektronu, które w polu magnetycznym są odchylone w przeciwne strony.

Komora pęcherzykowa jest urządzeniem pozwalającym oglądać, dzięki powstającym w niej małym pęcherzykom, tory cząstek naładowanych, przechodzących przez komorę. Rysunek przedstawia fotografię wykonaną przy użyciu takiej komory umieszczonej w polu magnetycznym i naświetlanej promieniowaniem z wielkiego cyklotronu.

SIŁA ELEKTRODYNAMICZNA. Siła elektrodynamiczna - siła, z jaką działa pole magnetyczne na przewód elektryczny, w którym płynie prąd elektryczny.

Cechą charakterystyczną pola magnetycznego jest to, że oddziałuje siłą na poruszające się w polu ładunki elektryczne. Jeśli w polu magnetycznym umieścimy przewód wiodący prąd będziemy mieli do czynienia z elektrodynamicznym oddziaływaniem pola magnetycznego na prąd elektryczny i przewód będzie wypychany z pola.

Na umieszczony w polu magnetycznym prostoliniowy przewodnik o długości l, przez który płynie prąd o natężeniu I, działa siła F, której wartość określa wzór:

F = B I l sinα

F - siła elektrodynamicznaB - indukcja magnetycznaI - natężenie prądu w przewodnikul - długość przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznymα - kąt pomiędzy kierunkiem prądu w przewodniku a kierunkiem linii pola magnetycznego

Kierunek siły jest prostopadły do linii pola magnetycznego i przewodu. Zwrot siły określa reguła lewej dłoni:

Jeżeli lewą dłoń ustawi się tak, aby linie pola magnetycznego (od N do S) zwrócone były prostopadle ku wewnętrznej powierzchni dłoni (aby wnikały w wewnętrzną stronę dłoni), a wszystkie palce - z wyjątkiem kciuka - wskazywały kierunek płynącego prądu (od + do -), to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej na dodatni ładunek elektryczny umieszczony w tym polu (dla ładunku ujemnego zwrot siły będzie przeciwny).

Drugi sposób na określenie kierunku i zwrotu siły elektromagnetycznej polega na ułożeniu kciuka, palca wskazującego i środkowego pod kątami prostymi. W takim ułożeniu palec wskazujący pokazuje kierunek linii pola magnetycznego, palec środkowy kierunek i zwrot prądu (lub prędkość pojedynczej cząstki), a kciuk kierunek i zwrot siły.

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya, które polega na powstawaniu siły elektromotorycznej SEM w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego.

Zmianę tę można osiągnąć np. przez ruch magnesu względem obwodu lub przez zmianę natężenia prądu w drugim pomocniczym obwodzie umieszczonym tak, by linie pola magnetycznego przenikały również obwód badany. Strumień pola magnetycznego będzie się zmieniał, gdy będziemy dany obwód deformować (zmiana powierzchni) lub obracać (zmiana kąta) w stałym polu magnetycznym.

Siła elektromotoryczna indukcji jest tym większa, im szybciej zmienia się w czasie strumień magnetyczny.

Pod wpływem SEM indukowanej w obwodzie płynie prąd elektryczny. Kierunek tego prądu określa reguła Lenza: Prąd indukowany w obwodzie ma taki kierunek, że jego własne pole magnetyczne przeciwdziała zmianie strumienia magnetycznego wywołującej ten prąd.

Regułę Lenza ilustruje przykład podany na rysunku (Rys.1).Wskutek zbliżania bieguna N magnesu do pierścienia metalowego, w pierścieniu tym indukuje się prąd elektryczny o takim kierunku, że pole magnetyczne tego prądu przeciwdziała ruchowi magnesu (biegun N jest odpychany od pierścienia).

Przy oddalaniu bieguna N, prąd w pierścieniu zmieniłby kierunek na przeciwny; wtedy pojawiłyby się siły przyciągania, również przeciwstawiające się ruchowi magnesu.W obu przypadkach podczas ruchu magnesu trzeba wykonać pewną pracę przeciw siłom pola magnetycznego. Kosztem tej pracy występuje w obwodzie rozpraszanie energii elektrycznej na ciepło. Reguła Lenza wyraża zatem zasadę zachowania energii.

Indukcja elektromagnetyczna jest obecnie podstawową metodą wytwarzania prądu elektrycznego oraz podstawą działania wielu urządzeń elektrycznych np. prądnic, alternatorów generatorów w elektrowniach, transformatorów, pieców indukcyjnych, silników indukcyjnych i mierników indukcyjnych, cewek, głowic elektromagnetycznych.

Rys.1

Zjawisko elektrodynamicznego oddziaływania pola magnetycznego na przewód z prądem wykorzystano w zasadzie działania m.in. silników elektrycznych i mierników.

a. Transformator

Transformatory są statycznymi urządzeniami elektrycznymi, działającymi na zasadzie indukcji elektromagnetycznej wzajemnej, służącymi do przetwarzania energii prądu przemiennego o danym napięciu na energię prądu przemiennego o innym napięciu przy zachowaniu stałej częstotliwości. Umożliwiają one przesył energii elektrycznej na duże odległości oraz prawidłowy jej rozdział. Oprócz zastosowań energetycznych, w których występują transformatory wielkich mocy, spotyka się liczne odmiany transformatorów specjalnych. Należą do nich transformatory pomiarowe zwane przekładnikami, transformatory spawalnicze i prostownikowe, autotransformatory, przesuwniki fazowe, a także transformatory miniaturowe stosowane w układach automatyki, elektroniki i przesyłania informacji.

Transformator zbudowany jest z dwóch uzwojeń (pierwotnego wtórnego), nawiniętych na wspólny rdzeń. Często spotyka się transformatory o więcej niż jednym uzwojeniu wtórnym.Gdy do uzwojenia pierwotnego podłączymy źródło zmiennego napięcia U1, popłynie w nim zmienny prąd elektryczny. To z kolei powoduje indukcję zmiennego pola magnetycznego, które przenikając przez pozostałe uzwojenie powoduje powstanie w nim - wskutek indukcji elektromagnetycznej - zmiennej siły elektromotorycznej. Ta siła elektromotoryczna (SEM) jest źródłem zmiennego napięcia U2 na wyjściu transformatora.

Zakładając brak strat energetycznych na transformatorze, możemy napisać, że: P1=P2

Zatem: U1/U2=I2/I1=n1/n2

gdzie:I1, I2 - to natężenia prądów płynących odpowiednio w uzwojeniu pierwotnym oraz wtórnymU1/U2 - napięcie elektryczneP1,P2 - moc na wejściu i wyjściu transformatoran1, n2 - to liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

b. Prądnica.

Prądnica jest urządzeniem wytwarzającym energię elektryczną kosztem dostarczonej jej energii mechanicznej. Podstawowym zjawiskiem fizycznym odpowiadającym za wytwarzanie prądu w prądnicy jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Podstawowe części prądnicy to stojan, jest to nieruchoma część związana z obudową oraz wirnik, część ruchoma wewnątrz stojana. Na wirnik nawinięte są zwoje przewodnika przecinające pole magnetyczne, wytwarzane przez uzwojenie stojana lub umieszczony zamiast tego magnes, powodując indukowanie zmiennej siły elektromotorycznej. W prądnicy prądu stałego na wirniku zamontowany jest dodatkowo komutator który prostuje przebieg wzbudzanego prądu.

Prądnice ze względu na rodzaj wytwarzanego prądu dzielimy na prądnice prądu stałego oraz alternatory (prądnice prądu przemiennego).Samochodowe prądnice prądu stałego należą do pewnej grupy urządzeń zwanych maszynami prądu stałego. Ich cechą charakterystyczną jest odwrotność pracy tzn. że bez żadnych zmian konstrukcyjnych maszyna w zależności od tego czy doprowadzamy czy odprowadzamy prąd może pracować jako silnik lub prądnica.

c. Zamek

Zamki elektromagnetyczne stosuje się w celu umożliwienia sterowania otwarciem drzwi przy pomocy domofonu, wideomofonu, a także paneli obsługujących systemy kontroli dostępu.Działanie zamka polega na tym, że momencie gdy zostanie naciśnięty przycisk w aparacie domofonu (lub wideomofonu), zwolniona zostaje czasowo blokada elektromagnetyczna i można otworzyć drzwi.Zwory elektromagnetyczne są, obok elektrozaczepów, alternatywnym rodzajem zamków stosowanych w systemach kontroli dostępu. Zasada ich działania polega na przyciąganiu metalowej płytki umieszczonej na skrzydle drzwi do zasilanego elektromagnesu umieszczonego na ościeżnicy drzwi. Podanie napięcia zamyka zworę i drzwi są trzymane przez cały czas gdy napięcie jest podane.

d. Dzwonek

Układ demonstruje zasadę działania dzwonka elektrycznego, który jest przykładem wykorzystania elektromagnesu. Elektromagnes zasilany prądem przyciąga zworę połączoną z młoteczkiem uderzającym o metalową czaszę wydającą dźwięk. Wtedy obwód jest przerwany i zwora powraca do poprzedniego stanu zamykając obwód. Następuje ponowne przyciągnięcie zwory i uderzenie młoteczka o czaszę. Cykl się powtarza, a drgająca czasza wytwarza falę dźwiękową.

LITERATURA:

 D.Halliday, R.Resnik, J.Walker, Podstawy fizyki. T 1, Mechanika, PWN, Warszawa, 2006. J. Blinowski, J. Trylski, Fizyka dla kandydatów na wyższe uczelnie. , PWN, Warszawa, 1974. I. Chełmińska, R. Grzybowski Fizyka i astronomia. Vademecum. Egzamin gimnazjalny 2010 , Operon, Gdynia, 2010. A. Kubica, E. Wnuczak, R. Żuczkowski, Fizyka dla wyższych szkół technicznych. T 1, PWN, Warszawa, 1974. http://www.bbc.co.uk/schools/ks3bitesize/science/energy_electricity_forces/magnets_electric_effects/revise5.shtml http://fphoto.photoshelter.com/gallery/Magnetic-Field/G0000p7ZygW.RoP0/P0000HCXPohADw0E http://fphoto.photoshelter.com/gallery/Magnets/G0000Rj4TArpUrVo/P0000HCXPohADw0E