Pole magnetyczne

Pole magnetyczne
Polem magnetycznym nazywamy obszar, w którym działają siły magnetyczne. Po czym poznać, że w jakimś miejscu działają siły magnetyczne?
Pierwszy detektor pola magnetycznego - igła magnetyczna
Zwykle do wykrywania pola magnetycznego używa się małego, lekkiego magnesu uformowanego w kształt igły magnetycznej. Końce igły magnetycznej są pomalowane najczęściej na kolor czerwony i niebieski.



pole magnetyczne jest to taka właściwość przestrzeni, że umieszczone w niej igły magnetyczne będą miały skłonność do obracania się, lub do utrzymywania stałego kierunku, mimo próby wytrącania ich z początkowego ustawienia.

Drugi detektor pola magnetycznego - poruszające się ładunki
Okazuje się, że pole magnetyczne można wykrywać nie tylko za pomocą igły magnetycznej. Pole to działa także na poruszające się (!) cząstki naładowane, albo na przewodniki z prądem (w których przecież poruszają się ładunki). Dlatego pole magnetyczne można wykrywać też badając siłę działającą na ładunki elektryczne.


Pole magnetyczne: A) linie pola magnetycznego, B) prąd


.

Ziemskie pole magnetyczne

Ziemia sama jest wielkim magnesem - tzn. wytwarza pole magnetyczne, które otacza naszą Planetę, a jest odczuwalne również na jej powierzchni (i pod pod tą powierzchnią). Kształt linii ziemskiego pola magnetycznego jest bardzo podobny do linii pola magnesu trwałego.

Co ciekawe biegunowość magnesów ziemskich jest odwrotna, niż biegunów geograficznych - tzn. w okolicach bieguna północnego (choć nie dokładnie w nim) znajduje się... południowy biegun magnetyczny. Analogicznie północny biegun magnetyczny znajduje się w okolicach południowego bieguna geograficznego.

Przyczyna ziemskiego pola magnetycznego nie jest dokładnie poznana. Ciekawe jest, że pole magnetyczne ziemskie zmieniało się na przestrzeni wieków. Aktualnie pole to wyraźnie maleje.

Ziemskie pole magnetyczne jest przyczyną wielu ciekawych zjawisk - m.in. zórz polarnych.

Na tym rysunku zaznaczono bieguny geograficzne N - S
Bieguny magnetyczne będą odwrotne

Linie pola magnetycznego

Jeśli igłę magnetyczną będziemy umieszczać w różnych miejscach, to stwierdzimy, że ma ona skłonność do przyjmowania ustawiania się w pewien stały sposób.
Na przykładowym rysunku poniżej widać, że igły magnetyczne ustawiają się w sposób dość uporządkowany – „starając się” z grubsza pokazywać niebieskim końcem prawy górny róg tegoż rysunku.

Jeśli przez wszystkie (w domyśle to prawie wszystkie możliwe) położenia igieł przeprowadzimy (myślowo) linie, to utworzą one obraz określany jako linie pola magnetycznego.Oczywiście nie da się narysować linii przez każdy punkt pola, bo wtedy rysunek całkiem by się zamazał. Dlatego rysujemy tylko niektóre linie pola, pamiętając, że pomiędzy nimi są też inne linie uzupełniające cały obraz.

Linie pola magnetycznego - własności

O czym mówią nam linie pola magnetycznego?

po pierwsze – pokazują kierunek działania pola na igłę magnetyczną.

po drugie – informują o natężeniu tego pola – im gęściej, bliżej siebie znajdują się te linie, tym mocniejsze jest pole magnetyczne.

Linie pola magnetycznego mają zwrot

Liniom pola magnetycznego przypisuje się zwrot. O zwrocie mówimy dlatego, że jeśli pomalujemy jeden koniec igły magnetycznej, to będzie on zawsze w polu magnetycznym wykręcał się w tę samą stronę.

Na rysunku zaznaczono zwrot niektórych linii pola magnetycznego.

Bieguny pola magnetycznego

Bieguny magnetyczne
Jeżeli weźmiemy dwie igły magnetyczne i zbliżymy od siebie, to okaże się, że przyciągają się one różnie oznaczonymi końcami.

A odpychają oznaczonymi tak samo.

Te końce nazywamy biegunami magnetycznymi.

Mówimy że:

	Jednoimienne bieguny magnetyczne się odpychają
	Różnoimienne bieguny magnetyczne się przyciągają.

Bieguny igły magnetycznej określamy sprawdzając w którą stronę wykręcają się one w pobliżu ziemi, po usunięciu wszelkich innych przedmiotów magnetycznych. Wtedy igła magnetyczna ustawia się w kierunku północnym zawsze jednym konkretnym swoim końcem – biegunem.

Stąd mamy nazwy dla biegunów magnetycznych:

	biegun magnetyczny północny – a magnesach pomalowanych ma on zwykle kolor niebieski – odpowiada końcowi igły ustawiającemu się na północ.
	biegun magnetyczny południowy – a magnesach pomalowanych ma on zwykle kolor czerwony – odpowiada końcowi igły ustawiającemu się na południe.

Kierunek działania siły magnetycznej

Kierunek działania siły magnetycznej

Jak wcześniej wspomniano, siła działająca na ładunek poruszający się w polu magnetycznym jest prostopadła zarówno do tego pola, jak i do kierunku ruchu tego ładunku. Często siłę tę określa się mianem siły Lorentza.

Rozważmy sytuację jak na rysunku poniżej:

Przypomnienie
Ten rysunek powyższy interpretujemy tak, że pole magnetyczne jest skierowane od obserwatora do płaszczyzny rysunku (bo widzimy "pióra" strzał, czyli uciekają one od nas do rysunku).

Tutaj widać też efekt działania siły magnetycznej - gdy ładunek dodatni porusza się w prawo, a pole magnetyczne ma zwrot od obserwatora do rysunku, wtedy siła działająca na ładunek będzie skierowana do góry.

Na początek przypomnimy ważną własność siły pochodzącej od pola magnetycznego:

Siła magnetyczna działająca na poruszające się ładunki działa zawsze prostopadle do płaszczyzny wyznaczonej przez prędkość i kierunek pola magnetycznego. Aby dokładnie określić zwrot tej siły prędkości posługujemy się zwykle regułą „trzech palców” lub regułą "śruby prawoskrętnej".

Zastosowanie reguły śruby prawoskrętnej

Aby posłużyć się regułą śruby prawoskrętnej musimy ustalić który z wektorów/kierunków - prędkości cząstki, czy pola magnetycznego weźmiemy jako pierwszy. Zasada jest następująca:

	jeśli ładunek jest dodatni to pierwszym wektorem wziętym do reguły śruby prawoskrętnej jest wektor prędkości.
	jeśli ładunek jest ujemny to jako pierwszy musimy wziąć kierunek pola magnetycznego.

Reguła trzech palców lewej ręki

Reguła trzech palców lewej ręki

Reguła trzech palców lewej ręki odnosi się do sytuacji, gdy chcemy wyznaczyć w którą stronę działa siła działająca ze strony pola magnetycznego na poruszające się ładunki elektryczne. Siła ta działa prostopadle zarówno do linii pola jak i prędkości cząstki.

Reguła mówi nam, że jeśli lewą rękę ustawimy tak, że trzy palce (kciuk, wskazujący i środkowy) będą ustawione prostopadle i przypiszemy im kierunki: wskazujący kierunek pola B, środkowy kierunek ruchu dodatniego ładunku, to kciuk wskaże nam kierunek siły magnetycznej.

Rysunek poniżej przedstawia tę sytuację z większą ilością opisów.

Magnes trwały

Magnes trwały

Najbardziej znanym urządzeniem wytwarzającym pole magnetyczne jest magnes trwały. Może być nim kawałek namagnesowanej blaszki, sztabki, lub inny materiał silnie namagnesowany. Zjawisko magnesowania samo w sobie jest bardzo ciekawe, ale zostanie omówione przy innej okazji.

Pole magnetyczne magnesu trwałego

Kształt linii pola magnetycznego wokół typowego szkolnego magnesu, posiadającego wyraźnie oznaczone bieguny można przedstawić takim oto rysunkiem:

Jeśli magnes zawiesimy na nici i pozwolimy mu się obracać, to po jakimś czasie przekręci się on biegunem północnym na północ. Spowodowane jest to faktem, że planeta Ziemia sama jest jednym wielkim magnesem i stara się obrócić wszystkie inne magnesy znajdujące się w jej polu.

Każdy magnes (podobnie jak igła magnetyczna) ma więc dwa bieguny:

	północny – a magnesach pomalowanych ma on zwykle kolor niebieski
	południowy – a magnesach pomalowanych ma on zwykle kolor czerwony

Zwojnica

Układ przewodników kołowych połączonych w szereg. To zwojnica (solenoid).

Prądnica

Prądnica, generator elektryczny – maszyna elektryczna (dawne nazwy: dynamo-maszyna, dynamo) zamieniająca energię mechaniczną na energię elektryczną. Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w prądnicach dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Odbywa się to na skutek względnego ruchu przewodnika i zewnętrznego pola magnetycznego

Budowa i zasada działania

Głównymi częściami prądnicy są stojan (nieruchoma część związana z obudową) oraz wirnik (rotor, część wirująca wewnątrz stojana). Uzwojenie cewki umieszczonej w wirniku prądnicy przecina linie sił pola magnetycznego wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzające i dzięki temu indukuje się w nim zmienna siła elektromotoryczna.

Silnik elektryczny

Silnik elektryczny – maszyna elektryczna, w której energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną. zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnet. i prądu elektr. (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym.

Ze względu na rodzaj napięcia zasilającego,

silniki elektryczne dzielimy na:

silniki elektryczne prądu stałego,

silniki elektryczne prądu zmiennego,

silniki uniwersalne.

Cyklotron

Cyklotron — najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym.

W akceleratorach cyklicznych, także w cyklotronie, przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych, przebiegając wielokrotnie przez obszar w którym są przyspieszane.

Cyklotron – budowa i zasady działania

Cyklotron służy do przyspieszania naładowanych cząstek elementarnych.

Cyklotron zbudowany jest ze skrzyżowanych ze sobą prostopadle połów: elektrycznego i magnetycznego. Obszar, w którym panuje pole magnetyczne nazywamy duantami. Między duantami panuje pole elektryczne, którego zwrot zmienia się na przeciwny, gdy cząstka „zawraca” w Danucie.

Liczymy czas ruchu w 1 duancie:

WNIOSEK:

Czas ruchu w Danucie nie zależy od prędkości cząstki naładowanej. Wynika stąd, że możemy jednocześnie przyspieszać większą ilość identycznych cząstek naładowanych.

Największy cyklotron znajduje się w Berkeley i ma średnicę 4km.

Prawo Ampere’a

Prawo Ampere’a w typowej najprostszej postaci określa wartość pola wokół nieskończonego prostoliniowego przewodnika z prądem. Linie pole magnetycznego wokół takiego przewodnika przyjmują kształt okręgów leżących w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika. Sam przewodnik przebija płaszczyznę okręgu dokładnie w środku tego okręgu. Wartość pola można określić wzorem:

Postać wzoru podająca wartość natężenia pola magnetycznego

Postać wzoru podająca wartość indukcji magnetycznej

H – natężenie pola magnetycznego – w układzie SI w amperach na metr [H]=A/m

B – indukcja magnetyczna – w układzie SI w teslach T = N/Am = kg/(As²)

r – odległość punktu, w którym określane

jest pole od przewodnika – w układzie SI w metrach

m

μ – μ₀ μ_r przenikalność magnetyczna ośrodka
μ₀ - przenikalność magnetyczna próżni – jednostka w układzie SI – H/m (Henr na metr)

μ_r przenikalność relatywna ośrodka – wielkość bezwymiarowa

Inne postacie prawa Ampere’a

Całkowa:

Różniczkowa:

Prawo Biotea-Savarta

Prawo Biote’a – Savarta podaje wartość indukcji pola magnetycznego pochodzącej od nieskończenie małego (infinitezymalnie małego) kawałka przewodnika. Aby zastosować to prawo trzeba posłużyć się rachunkiem różniczkowym i całkowym

Siła elektrodynamiczna

Siła elektrodynamiczna.

Jest to siła działająca na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym :

F = I(L * B) = BIL * sin(L, B)

Ramkę z drutu umieszczamy między biegunami magnesu podkowiastego.


Gdy do ramki podłączymy napięcie, zauważymy wychylenie się ramki. Po podłączeniu napięcia płynie prąd, więc na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym działa siła zwana siłą elektrodynamiczną.
Po przeprowadzeniu doświadczenia zauważymy, że siła ta proporcjonalna jest do natężenia prądu I w przewodniku oraz do długości tego przewodnika. Aby znak proporcjonalności zastąpić równością, wprowadzamy współczynnik proporcjonalności B, zwany indukcją magnetyczną. Indukcja magnetyczna zależy od rodzaju substancji wypełniającej pole (otoczenie przewodnika).


Oznaczenia:
F - siła elektrodynamiczna;
I - natężenie prądu;
L - długość przewodnika umieszczonego w polu magnetycznym;
B - natężenie pola elektromagnetycznego (indukcja)

Reguła Fleminga

Jeśli znamy kierunek indukcji i przepływu prądu, to możemy w następujący sposób określić kierunek działającej siły: oznaczmy palce lewej ręki od strony lewej: kciuk, palec drugi, trzeci, czwarty, piąty. Ustawiamy drugi palec w kierunku indukcji, a trzeci w kierunku natężenia prądu. Wyciągnięty pod kątem 90o do palców 2 i 3 kciuk wskaże nam kierunek działającej siły.

Zjawisko Hala

Na każdy elektron poruszający się w przewodniku umieszczonym w polu magnetycznym działa siła Lorentza

- ładunki nie będą rozłożone równomiernie. Wytworzy się różnica potencjałów - napięcie Hala:

U_H = V_D B_d

Prędkość dryfu (VD) - prędkość z jaką poruszają się elektrony w wyniku nałożenia się ruchu chaotycznego cieplnego z ruchem

uporządkowanym wywołanym polem elektrycznym.

Oznaczenia
B - natężenie pola elektromagnetycznego (indukcja);
UH - napięcie Hala;
VD - prędkość dryfu;
d - grubość przewodnika

Doświadczenie Oersteda

Fizyk i chemik duński (1777-1851).
Uczył się a później studiował medycynę
i nauki przyrodnicze w Kopenhadze - uzyskał
stopień doktora a następnie profesora.

Doświadczenie Oersteda - w roku 1820 Hans C.Orested (1777 - 1851) odkrywa iż przepuszczając prąd elektryczny (otrzymywany za pomocą znanych już wtedy ogniw galwanicznych) w przewodniku położonym nad igiełką magnetyczną zauważamy jej wychylenie.




OBSERWACJE:
• prąd płynący w przewodniku wytwarza wokół siebie pole magnetyczne
• zmiana kierunku płynięcia prądu zmienia ustawienie igły o 180 stopni

Zadania

Filmy i animacje

1 Rozmagnesowanie przez podgrzewanie

Link do Filmu

Opis: Rozmagnesowanie podgrzewanej igły.
Stalowa igła zbudowana między innymi z żelaza, w zewnętrznym polu magnetycznym,
zachowuje się jak typowy ferromagnetyk - magnesuje się.
Podgrzewanie igły powoduje, przynajmniej częściowe, jej rozmagnesowanie.
Siły magnetycznego oddziaływania między igłą i magnesem słabną.
Zjawisko rozmagnesowania ferromagnetyku przy odpowiednio wysokich temperaturach
(temperatura Curie) zmienia magnetyczne własności substancji,
która staje się paramagnetykiem.


2 Animacja pole magnetyczne prostoliniowego przewodnika z prądem, silnika, prądnicy
Link 1
Link 2
Link 3

3 Zwojnica



4 Silnik elektryczny prądu stalego