Magnetismus - fyzikální základy |
Obsah >>> |
Magnetické vlastnosti látek
Podle magnetických vlastností dělíme látky na ty, které ovlivňují magnetické pole jen nepatrně (diamagnetické a paramagnetické) a ty, které ho ovlivňují výrazně (ferimagnetické a feromagnetické).
- diamagnetické - jen nepatrně zeslabují magnetické pole
- paramagnetické - jen nepatrně zesilují magnetické pole
- ferimagnetické (ferity) - keramické materiály vytvořené ze sloučenin oxidů železa a některých jiných kovů, značně zesilují magnetické pole
- feromagnetické - železo, nikl, kobalt, gadolinium a některé slitiny, zesilují magnetické pole velmi výrazně
Magnetizování
Feromagnetické látky se po vložení do vnějšího magnetického pole zmagnetují. Zmagnetování může být buď dočasné, nebo trvalé:
- Přiblížíme-li magnet k předmětu z měkké oceli (např. k hřebíku nebo klíči), předmět se zmagnetuje a přitahuje další drobné železné předměty. Jakmile magnet od klíče vzdálíme, klíč se opět odmagnetuje, stal se jen dočasným magnetem. Tyto se nazývají magneticky měkké a zhotovují se z nich například jádra elektromagnetů.
- Přiblížíme-li magnet k předmětu z tvrdé oceli (například k velké jehle), zůstane zmagnetovaný i po oddálení magnetu. Z těchto magneticky tvrdých látek se vyrábějí trvalé (permanentní) magnety.
Zobrazení magnetického pole
V okolí magnetů existuje magnetické pole, které můžeme znázornit pomocí myšlených křivek - indukčních čar. Jejich průběh můžeme sledovat na obrazcích vytvořených železnými pilinami. V okolí tyčového magnetu mají indukční čáry průběh zobrazený na levém obrázku, mezi póly podkovového magnetu je magnetické pole stejnorodé a indukční čáry jsou navzájem rovnoběžné (obr. vpravo).
Indukční čáry v okolí přímého vodiče s proudem mají tvar soustředných kružnic. Levý obrázek ukazuje průběh indukčních čar kolem přímého vodiče s proudem, jejich orientaci určuje Ampérovo pravidlo pravé ruky:
Položíme-li pravou ruku na vodič tak, aby vtyčený palec ukazoval směr proudu, ukazují zahnuté prsty orientaci indukčních čar (pravý obrázek).
Síla působící na vodič s proudem
Magnetické pole působí na vodič s proudem silou F, jejíž velikost určíme ze vztahu
Z tohoto vzorce vyplývá, že největší síla působí na vodič kolmý k indukčním čarám (sin 90°= 1). Má-li vodič stejný směr jako indukční čáry, magnetické pole na něj nepůsobí ( sin 0°= 0).
- B - magnetická indukce, která charakterizuje, jak je působící magnetické pole "silné". Její jednotkou je tesla (T)
- I - velikosti proudu procházejícího vodičem
- l - délka té části vodiče, která se ocitá v magnetickém poli
- úhel, který svírá vodič se směrem indukčních čar
Flemingovo pravidlo
Směr síly, kterou magnetické pole působí na vodič s proudem, určíme Flemingovým pravidlem levé ruky:
Položíme-li levou ruku na vodič tak, aby indukční čáry vstupovaly do dlaně a natažené prsty ukazovaly směr proudu, ukazuje odchýlený palec směr působící síly.
Na obrázku mají indukční čáry směr dolů (od severního k jižnímu pólu) a proud vodičem směřuje za nákresnu. Vychýlený palec ukazuje, že vodič se v magnetickém poli vychýlí doleva.
Působení magnetického pole na vodič s proudem je základem funkce elektromotorů. Z uvedeného pravidla je zřejmé, že směr otáčení stejnosměrného motorku (například v dětské hračce) závisí na směru proudu.
Ampérův zákon
Na vodič s proudem působí každé magnetické pole, ať je vytvořeno trvalým magnetem, nebo cívkou elektromagnetu. Dva rovnoběžné vodiče, kterými prochází proud, na sebe také navzájem působí prostřednictvím svých magnetických polí. Velikost působící síly udává vztah
- k - konstanta charakterizující prostředí mezi oběma vodiči. Pro vákuum má tato konstanta hodnotu k = 2.10-7 NA-2
- I1, I2 - velikosti proudů (A)
- l - délka vodičů (m)
- d - vzdálenost obou vodičů (m)
Prochází-li oběma vodiči proudy stejnými směry, vodiče se navzájem přitahují. Vodiče, kterými procházejí proudy v opačných směrech, se vzájemně odpuzují. Vyzkoušejte si animaci!
Vzájemné silové působení dvou rovnoběžných vodičů posloužilo i pro definici ampéru, jedné ze základních jednotek soustavy SI.
- DVA VODIČE -
animace (ukaž myší)
Náboj v magnetickém poli
Pohybující se elektrický náboj představuje elektrický proud (proud je definován jako usměrněný pohyb náboje). Na vodič s proudem působí magnetické pole určitou silou a proto magnetické pole působí i na pohybující se náboje (například elektrony). Vnikne-li náboj do magnetického pole kolmo k indukčním čarám, začne se pohybovat po kruhové dráze, jejíž poloměr závisí na rychlosti, velikosti náboje a velikosti magnetické indukce. Tohoto jevu se využívá v řadě elektronických zařízení. V obrazovce televizoru nebo monitoru počítače jsou elektrony vychylovány tak, aby na stínítku vykreslily obraz. V elektronovém mikroskopu proud elektronů usměrňovaný magnetickými "čočkami" zobrazuje i ty nejmenší objekty s obrovským zvětšením. Silné magnetické pole zakřivuje dráhy nabitých částic v cyklotronu, jednom z nejpoužívanějších urychlovačů částic. Poloměr zakřivení dráhy částice závisí ma její rychlosti a náboji, ale také na magnetické indukci B a směru pohybu částice.