Již ve starověku zvídaví Řekové zjistili, že jistý druh železné rudy (magnetovec) přitahuje železo. Objevili tak první permanentní (stálý) magnet a tím i magnetismus.
Slovo magnetismus má původ ve jménu maloasijského města Magnesie, v jehož okolí se nacházelo naleziště oné rudy. Magnesia ad Sipylum - Manisa v dnešním Turecku
Nejintenzivněji jsou železné předměty přitahovány k pólům magnetu.
Ten pól, kterým se magnet natáčí k severu se nazývá severní (N), druhý je jižní (S). jižní magnetický pól Země severní magnetický pól Země
Dva magnety na sebe silově působí, aniž se musí dotýkat. To svědčí o existenci magnetického pole. Magnetické pole nemůžeme zjistit našimi smysly, ale objektivně existuje jako forma hmoty.
Souhlasné póly se odpuzují, opačné se přitahují.
Posypeme li okolí magnetu železnými pilinami, tak se zřetězí a zviditelní tzv. magnetické indukční čáry, které vycházejí z pólu severního a jdou do pólu jižního.
U magnetů ve tvaru podkovy je uvnitř magnetu mag. pole téměř homogenní. Piliny se nastaví ve směru tečny k siločárám podobně, jako bychom použili malý kompas.
Teprve roku 1820 učinil dánský fyzik H. Ch. Ørsted zásadní objev, když zjistil, že se magnetické pole vytváří i kolem vodičů protékaných proudem. H. Ch. Ørsted předvádí i ostatním tu zajímavou novinku
I Železné piliny kolem přímého vodiče protékaného proudem. Magnetické indukční čáry kolem přímého vodiče jsou soustředné kružnice.
Směr magnetických indukčních čar pak určíme magnetkou anebo Ampérovým pravidla pravé ruky: Uchopíme li vodič pravou rukou tak, že palec máme ve směru proudu, tak prsty ukazují směr magnetických indukčních čar.
Magnetické pole přímého vodiče je relativně slabé, a proto vyrábíme tzv. cívky, což je izolovaný měděný vodič navinutý na tzv. jádře. To pak může být vzduchové anebo železné.
Dlouhá hustě vinutá válcová cívka malého průměru se nazývá solenoid. Solenoid vytváří magnetické pole podobné magnetickému poli permanentního magnetu. Vně je magnetické pole podobné magnetickému poli permanentního magnetu. Uvnitř je mag. pole přibližně homogenní.
Magnetické póly cívky určíme buďto magnetkou anebo opět Ampérovým pravidlem pravé ruky. Uchopíme li cívku pravou rukou, tak, že prsty jsou ve směru proudu, tak palec ukazuje k směr siločar.
Cívka na kruhovém jádře. Magnetické pole se vytváří pouze uvnitř této cívky a může být i velmi intenzivní jako např. v magnetických nádobách termonukleárních reaktorů (tokamacích).
cívka z 19. století (J. Henry, 1797 1878)
Vložíme li vodič protékaný proudem do magnetického pole, tak pozorujeme, že na něj působí magnetická síla. Omezíme se na přímý vodič a homogenní magnetické pole.
Velikost magnetické síly závisí na: a) velikosti proudu b) délce vodiče F m I F m l c) síle magnetického pole F m B d)úhlu mezi vodičem a indukčními čarami F m sin()
F m BIl sin magnetická indukce
F m = BIl I F m =0 I Na vodič rovnoběžný s magnetickými indukčními čarami magnetická síla nepůsobí.
charakterizuje magnetické pole a můžeme ji vyjádřit takto: B F m tesla Il sin() Její jednotkou je B N T Am
vektor tečný k magnetickým indukčním čárám. B B B B B x B vodič proud před tabuli vodič proud za tabuli
Vektor magnetické síly je kolmý k vektoru magnetické indukce i k vodiči F m B l F m B
Položíme li na vodič levou ruku tak, aby prsty byly ve směru proudu a indukční čáry směřovaly do dlaně, ukazuje palec směr magnetické síly.
Položíme-li levou ruku na vodič tak, že prsty budou ve směru proudu a siločáry půjdou do dlaně, ukazuje palec směr magnetické síly
F m I B B I F m Síla za tabuli Síla před tabuli F m I B B I F m
Využití: např. elektrodynamický reproduktor
Magnetická síla na závit a cívku
Jestliže do homogenního magnetického pole vložíme závit tvaru obdélníku a necháme jím procházet elektrický proud, začnou na dvě jeho strany působit dvě stejně velké opačně orientované síly (dvojice sil),které se jej snaží stočit kolmo k siločárám (k vektoru B). I - +
Severní magnetický pól závitu je pak co nejblíže jižnímu pólu magnetu, který vytváří vnější magnetické pole, a opačně. Cívka se chová obdobně jako závit
F X F -F X -F
N F -F X S N S
Při tomto směru proudu magnetické síly stáčejí cívku doprava tak, aby I F -F
její osa byla rovnoběžná s indukčními čarami vnějšího magnetického pole. F -F
Změníme-li směr proudu, otočí se cívka na druhou stranu maximálně však o úhel 180. I
Přístroje pro měření proudu a napětí (galvanometry, ampérmetry, voltmetry) s otočnou cívkou. Když do cívky pustíme měřený proud, tak se v magnetickém poli stočí a ručka ukáže na stupnici naměřenou hodnotu. Cívka je v rovnovážné poloze držena dvěma pružinami.
Chceme-li, aby cívka vykonala v magnetickém poli i druhou půlotáčku a tedy se otáčela trvale, musíme změnit směr proudu, který jí prochází. To realizujeme speciálním mechanickým prvkem, tzv. komutátorem.
Rotor je cívka, která se otáčí v magnetickém poli statoru. aplet Komutátor mění směr proudu rotorem. Stator vytváří magnetické pole. (Zde je to permanentní magnet.)
youtube.cz aplet
a rotorem několik cívek. V tom případě je komutátor tvořen více segmenty. V praxi je často statorem cívka se železným jádrem, tzn. elektromagnet.
Je také možné nechat procházet rotorem střídavý proud, který mění svůj směr automaticky. Tento typ elektromotoru pak nemusí mít komutátor, a proto je jednodušší a spolehlivější.
Elektromotor na stejnosměrný proud má komutátor. Elektromotor na střídavý proud nemá komutátor.
Magnetická síla mezi dvěma rovnoběžnými vodiči s proudem
Na dva rovnoběžné přímé vodiče protékané proudem působí magnetické síly, které mohou být:
pokud proudy tečou stejným směrem. směr magnetické síly podle Flemingova pravidla levé ruky I 1 I 2 I 1 -F m F m I 2 -F m F m reakce na akci je vždy síla opačná směr magnetických indukčních čar podle Ampérova pravidla pravé ruky
pokud proudy tečou opačným směrem. I 1 I 2 -F m m I1 I2F -F m F m
F m I 1 F m I 2 F m l F m d -1 I 1 I 2 F m I I 0 1 2 2 d l -F m d l F m
permeabilita vakua (mý) proudy protékající vodiči I I F m 0 1 2 l 2 d magnetická síla vzdálenost obou vodičů délka vodičů
Permeabilita vakua má hodnotu 4 10 0 7 NA 2 Ale látkové prostředí může tyto síly jak zesílit, tak zeslabit. Magnetické vlastnosti látek popisuje relativní permeabilita (r).
Dva vodiče se tedy v látkovém prostředí přitahují či odpuzují silou: F m I I 0 r 1 2 2 d l F m I I 1 2 2 d l 0 r permeabilita prostředí
F m BI l F m 2 I d I l B B 2 I d I x d
Mag. indukce uvnitř závitu s proudem B 2 I d
počet závitů cívky B NI B l l délka cívky
Podle magnetických vlastností rozdělujeme látky na: Diamagnetické Paramagnetické Feromagnetické
Jejich atomy jako celek nevykazují vlastnosti magnetu. Mírně zeslabují magnetické pole ( r 1). Jsou vypuzovány z míst o větší intenzitě do míst s nižší intenzitou magnetického pole, tzn. obvykle se mírně odpuzují od magnetu.
Patří sem některé kovy (např. Au, Cu, Hg), nekovy (např. sklo), kapaliny, plyny a většina organických látek. Např. relativní permeabilita mědi r = 0,999 990.
Diamagnetické látky ze sebe vytěsňují magnetické indukční čáry. B 0 B B 0 B
diamagnetika (zlato, ryba) se odpuzují od silného magnetu.
Magnet se jej tedy nemůže dotknout a bude se vznášet. Supravodič chlazený tekutým dusíkem nedovolí magnetickému poli, aby do něj proniklo.
Jejich atomy se chovají jako malé magnety. Mírně zesilují magnetické pole (r1). Jsou vypuzovány z míst o nižší intenzitě do míst s vyšší intenzitou magnetického pole, tzn. obvykle se mírně přitahují k magnetu.
Patří sem většina kovů (např. Na, K, Pt, Al), některé krystalické soli a jejich roztoky, některé plyny (např. vzduch) a řada dalších látek. Např. relativní permeabilita hliníku r =1,000 023.
do sebe vtahují magnetické indukční čáry. B 0 B B 0 B
Youtube Youtube
Jejich atomy se chovají jako malé magnety. Značně zesilují magnetické pole (r=10 2 10 5 ). Jsou velmi silně vypuzovány z míst o nižší intenzitě do míst s vyšší intenzitou magnetického pole.
jsou silně vtahována i do dutin cívek protékaných proudem. Využití:
Pustíme li do prvé cívky proud, začne k sobě přitahovat projektil. Jakmile dosáhne dutiny a my proud přerušíme, bude pokračovat setrvačností dále. Další cívky pak mohou jeho rychlost ještě zvýšit (~ km/s). YouTube
v = 2 250 m/s
Mezi feromagnetika patří čtyři kovy (Fe, Co, Ni, Gd), jejich slitiny i slitiny jiných kovů. Používají se jako jádra cívek v elektromagnetech, transformátorech a různých elektrických strojích. Překročíme li tzv. Curieovu teplotu (např. pro Fe 770 C), tak se z feromagnetika stává pouhé paramagnetikum a např. odpadává od magnetu.
Mezi feromagnetické látky patří rovněž látky ferimagnetické, což jsou sloučeniny oxidu železa (Fe2O3) s oxidy jiných kovů (Mn, Ba). Mají r=102 103 a mnohem větší odpor než feromagnetické kovy. Využití: permanentní magnety, jádra cívek pro střídavé proudy atd.
magneticky tvrdé magneticky měkké
Pokud do magnetického pole, vložíme ocelovou trubku, tak se zmagnetizuje a stává se magnetem. Pokud ji vyjmeme a zůstane již trvalým magnetem, je z magneticky tvrdého materiálu
Pokud do magnetického pole, vložíme ocelovou trubku, tak se zmagnetizuje a stává se magnetem. a pokud se opět odmagnetuje, je z magneticky měkkého materiálu.
Z magneticky tvrdých látek vyrábíme permanentní magnety. Magneticky měkké materiály používáme na jádra cívek pro proměnný proud (např. jádra transformátorů).
Elektromagnet přitahuje železo pouze tehdy, prochází-li jím proud. Cívka s jádrem z magneticky měkké oceli se nazývá elekromagnet.
První elektromagnet předvedl roku 1825 W. Sturgeon, unesl 9 liber
např. manipulace a třídění kovového odpadu čištění ran od kovových nečistot aj. Elektromagnet je součástí elektromagnetického relé.
I=0 Jestliže vinutím elektromagnetu neprochází proud, jsou sepnuty tyto kontakty.
I Jestliže do vinutím pustíme proud, elektromagnet přitáhne kotvu, která spojí tyto kontakty
Wagnerovo kladívko
relé relé
relé
umožňuje magnetický záznam zvuku (magnetofony), obrazu (videomagnetofony) i dat (např. pevné disky).
Magnetická hlava stereofonního magnetofonu
Magnetická hlava stereofonního magnetofonu
si nechal roku 1899 patentovat dánský inženýr V. Poulsen jeho drátofon opravdu nahrával zvuk na železný drát. drátofon Paratus (Meopta)
Magnetická síla působí na každou částici s nábojem, která se pohybuje v magnetickém poli, přičemž není důležité, zda např. elektrony letí v kovovém vodiči anebo jako katodové záření vakuem. Budeme uvažovat homogenní magnetické pole, do něhož částice vstupují kolmo k indukčním čarám.
Pro vyjádření magnetické síly na nabitou částici (tzv. Lorentzovy síly) vyjdeme ze vztahu pro magnetickou sílu působící na přímý vodič. F BIl m + I Q t
F m B Q Fl t m BQ l t F m BQv Lorentzova síla v rychlost pohybu částice
Lorentzova síla je kolmá na vektor rychlosti a magnetické indukce. Směr Lorentzovy síly na částici s kladným nábojem opět určíme Flemingovým pravidlem levé ruky. Směr Lorentzovy síly na částici se záporným nábojem je samozřejmě opačný.
F m B v +
Směr Lorentzovy síly na částici se záporným nábojem je samozřejmě opačný. F m + v B v F m B
Podobně jako síla dostředivá je i síla Lorentzova vždy kolmá k vektoru rychlosti. Nemění proto velikost rychlosti, ale pouze její směr. Částice se pohybuje po trajektorii tvaru kružnice.
S F m + v r F m S v r B Částice se v magnetickém poli pohybuje po trajektorii tvaru kružnice.
Poloměr kružnice určíme na základě rovnosti mezi silou Lorentzovou a odstředivou. F o F m v S r B
F m F o BQv m v r 2 r mv BQ
Dvě cívky vytvářejí přibližně homogenní magnetické pole. Chování elektronů v magnetickém poli sledujeme v tzv. Wehneltově trubici. Elektronovým dělem je katoda, která se může otáčet.
Katoda vystřeluje elektrony kolmo k indukčním čárám homogenního magnetického pole a ty narážejí na molekuly vzduchu, které září. Je zřejmé, že se elektrony pohybují po kružnici.
Kruhové trajektorie elektronů vstupujících kolmo k indukčním čarám homogenního magnetického pole.
Vstoupí li elektrony do magnetického pole rovnoběžně s indukčními čarami, magnetická síla na ně nepůsobí, a proto se i nadále pohybují přímočaře. F 0 m v B
Pokud elektrony vstoupí do magnetického pole pod úhlem, který není ani nulový ani pravý, budou vykonávat oba výše uvedené pohyby zároveň. Jejich výslednou trajektorií pak bude šroubovice.
teorie a praxe!
Pokud se elektrony nepohybují ve vakuu, ale v kovovém vodiči, shrne je Lorentzova síla k jedné straně. Protože opustit kov nemohou, vznikne mezi oběma stranami vodiče jisté malé napětí (Hallův jev). v F m B U
I v přírodě velmi často pozorujeme, že magnetické pole ovlivňuje pohyb elektricky nabitých částic
Protuberance (ionizovaný plyn vyvržený ze Slunce se šíří podél magnetických indukční čar)
A zde podobný jev v silném magnetickém poli neutronové hvězdy.
Poznatků o pohybech elektricky nabitých částic v magnetickém poli využíváme při konstrukci:
Protože rychlost částic vzrůstá, pohybují se v magnetickém poli po spirále. Částice urychlujeme elektrickým polem mezi duanty.
Large Hadron Collider (LHC) s obvodem 27 km na pomezí Francie a Švýcarska
Pohybující se elektricky nabitá částice způsobí var; vytvářejí se bublinky plynného vodíku. Přehřátý tekutý vodík pod vysokým tlakem je v nestabilním stavu. Trajektorie nabitých částic se v magnetickém poli spirálově zakřivují.