Magnetické pole

1. Magnetické pole Začněme příběhem, podle nějž pastýř jménem Cretan z Magnés v době, kdy pásl ovce na svazích hory Ida, shledal, že se jeho železná hůl naklonila a hřebíky jeho vysokých bot byly přitahovány k zemi. Hledal zdroj přitažlvosti, kterou zjistil, když vyhrabal ze země kameny, které dnes nazýváme magetovcem. To je minerál Fe3 O4. Objev vlastností magnetovce se udál nezávisle na sobě jedak v Řecku, jednak v Číně. Archimedes použil silné magnety k vytažení hřebíků z nepřátelských lodí a tak je potápěl. Termín magemtismus měl vysvětlovat jev spočívající ve schopnostech magnetovce přitahovat železo.

2. Magnetická síla • Actio in distanc – působení na dálku • Síla magnetické přitažlivosti působí na dálku jako síly gravitační, ale nebezpečí záměny nehrozí. • K zemskému povrchu jsme přitahováni gravitací ne magneticky. • Země je obrovským magnetem, ale je slabý magnet. • Příklady magnetické indukce: • Jestliže bychom byli ze železa, nebyli bychom na povrchu země drženi magnetismem, ale gravitací.

3. Co je magnet? • Jestliže je magnetismus úzce propojený s elektřinou, vzniká otázka, kde je elektřina u permanentních magnetů? • Atomy mají v jádře protony a neutrony. Pro výklad je rozhodující atomový obal, tvořený elektrony. • Elektrony jsou základním zdrojem magnetismu. • Každý elektron má vlastní magnetický moment a chová se jako malý magnet. Tyto magnetické momenty mohou být uspořádanéparalelně nebo antiparalelně. • Atomy jsou tvořeny jedním nebo více elektrony a tak bychom očekávali, že budou mít magnetický moment. Ve skutečnosti se však magnetické momenty kompenzují a řada atomů navenek nevykazuje magnetický moment. Látka je diamagnetická. Těleso zhotovené z takové látky je slabě odpuzováno od magnetu.

4. Neviditelné magnetické pole • Jednoduchý tyčový magnet má pól ukazující na sever a pól ukazující na jih, protože tyto póly směřují k magnetickým pólům Země. • Je nemožné izolovat jediný pól. Magnety jsou vždy dvojpóly. Jestliže tyčový magnet rozpůlíme, vzniknou dva magnety, z nichž každý má svůj severní a jižní pól. • Toto je důležitý rozdíl od elektřiny, kde lze oddělit kladné a záporné náboje. • Souhlasné póly se odpuzují, nesouhlasné přitahují. • Magnetické pole magnetu je snadno zviditelněné pomocí železných pilin. Ty se uspořádají za sebou podél magnetické indukční čáry. • Magnetické indukční čáry vycházejí ze severního pólu a vstupují do jižního. Uvnitř magnetu se uzavírají.

5. Popis magnetického pole • Množství magnetických indukčních čar procházející danou plochou je magnetický indukční tok měřen ve webrech (Wb) • Wilhelm Eduard Weber (1804 – 1891) německý fyzik • Magnetická indukce je množství magnetických čar, procházejících jednotkovou plochou. Měřena v teslách T= Wb.m-2 • Nikola Tesla (1856 – 1943) srbský fyzik a elektrotechnik, který emigroval do USA

6. Paramagnetické látky • Existuje řada látek, jejichž atomy obsahují lichý počet elektronů, které nemohou být spárovány. • Molekula oxidu dusnatého má 7+8=15 elektronů. Molekula takové látky musí mít magnetický moment vzhledem k nespárovanému elektronu. • Takové lálky jsou přitahovány k magnetu, ale slabě. Magnetické momenty jsou orientovány náhodně. • Molekula O2 je paramagnetická a má dva nepárové elektrony. Modrý kapalný kyslík je přitahovaný k silnému tyčovému magnetu.

7. Feromagnetické látky • U některých látek se magnetické momenty chovají kooperativně. • Individuální malé magnety v počtu 1017 až 1020 mají stejný směr [NS], [NS], [NS]… v malých oblastech o objemu 10-12 až 10-8 m3 materiálu, které se nazývají magnetickými doménami. • Tělesa zhotovená z těchto látek jsou silně přitahovaná k magnetu. • Látky nazýváme feromagnetické podle železa. • Většina obyčejného magnetického materiálu obsahuje železo. Ferrum – železo.

8. Curieova teplota • Objevil Pierre Curie (1859 - 1906), manžel proslulé Marie – Curie (1867 - 1934) • Spolu se svým bratrancem Jaquesem Curie objevili piezoelektřinu • Nad Curieovou teplotou se feromagnetické materiály stávají paramagnetickými • Pro železo je Curieova teplota 769°C, proto je železo feromagnetické za pokojové teploty. • Gadolinium má Curieovu teplotu blízkou pokojové a je feromagnetické jen v chladném stavu. • Curieova teplota je vždy nižší než teplota tání, proto neexistují feromagnetické kapaliny. • Roztavené železné a niklové zemské jádro není feromagnetické.

9. Magnetické pole Země • Paleomagnetismus je věda o magnetické minulosti Země • Původ zemského magnetického pole ještě není úplně pochopen. • Zemské jádro je z roztaveného železa a niklu, které nejsou ve feromagnetickém stavu. • Magnetické pole Země vytváří elektrické proudy (konvenční proudy a rotace země)– kontinentální drift. • Zemské magnetické pole se přepóluje přibližně každý milion let.

10. Feromagnetické látky • Magnetické kovy: železo Fe, Kobalt Co, nikl Ni, samarium Sm, dysprosium Dy, gadolinium Gd • Heuslerovy slitiny 65% Cu, 25% Mn, 10% Al • Slitiny dokazují, že feromagnetismus není vlastností prvku, ale elektronového uspořádání. • Feromagnetické materiály nejsou vždy kovové • Ferity jsou směsi oxidu železitého a jiných oxidů kovů (využití jako elektricky nevodivé magnety – rozhlasová anténa nalézající se v rozhlasovém přijímači) • Magnetovec obsahuje magnetit, který je nekovovým feromagnetikem

11. Živočichové • Dnes rozumíme podstatě přitažlivých i odpudivých sil. Dokonce víme o magnetických bakteriích, a o skutečnosti, že někteří ptáci, motýli i jiný hmyz mají magnetický orientační smysl. • 1999 motýli monarchus se orientují podle zemského magnetického pole • 2001 orientální sršni připojují malý magnetický krystal k víčku každé šestiúhelníkové buňky ve svém hnízdě. Krystaly pomohou sršňům vyhodnotit symetrii a rovnováhu buněk tím, že srovnávají magnetické pole s gravitačním. • Včely a vosy používají stejnou techniku

12. Souvislost s elektřinou • Po mnoho let byl magnetismus záhadný fenomén a jeho jediné použití bylo v navigaci. Námořnický kompas vynalezli patrně Číňané asi před 4500 lety. • 1820 Hans Christian Oersted (1777-1851 Dánsko) prokázal, že magnetismus je příbuzný elektřině tím, že drát protékaný elektrickým proudem způsobil odchylku magnetky. • Nyní je známo, že elektrický proud je vždy spojený s existencí magnetického pole. Obecněji platí, že pohyb nějaké elektricky nabité částice je doprovázen magnetickým polem.

13. Zmagnetování • Magnetický materiál může být zmagnetován umístěním v magnetickém poli. • Těleso potíráme stejným směrem stejným pólem trvalého magnetu • Těleso vložíme do cívky (solenoidu), kterým protéká elektrický proud – vznikne elektromagnet • Permanentní magnet – remanentní ( zbytkový) magnetismus se udrží i v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole. Y takových materiálů se zhotovují trvalé magnety. • Jiné materiály, např. čisté železo, neudrží magnetismus, když jsou odstraněny z vnějšího magnetického pole. Magneticky měkké materiály se vyznačují nepatrnou remanencí.

14. Grónský magnet • William Scoresby (1789 – 1857) používal zemské magnetické pole k výrobě velmi silných magnetů. • Plul kolem Grónska zamrzlým oceánem. • Zpozoroval, že se nachází blízko zemského magnetického pólu. • Nejsilnější magnetické pole je u pólu magnetu, magnetické indukční čáry se ponořují „příkře“, téměř svisle do země. • Grónský magnet je úzký ocelový prut zmagnetovaný v Grónsku nad jižním magnetickým polem země.

15. Odstranění magnetismu • Zahřátím – působí molekulární pohyb, který odstraní uspořádání individuálních magnetických momentů • Opakované silné údery • Vystavením zmagnetovaného materiálu do opačně orientovaného pole • Obrazovky a počítačové monitory se mohou stát zmagnetovanými – barevné skvrny na obrazovce. Dnes většina monitorů je samočinně odmagnetována při zapnutí přístroje.

16. Elektromagnetická indukce • Jestliže je cívka připojena na voltmetr bez baterie, nenaměříme žádné napětí. • Jestliže vložíme do cívky maget, je napětí okamžitě zaznamenáno. Když je magnet vyndaván z cívky, je napětí zaznamenáno znova. • Účinek relativního pohybu magnetu a elektrické cívky, při němž se produkuje elektrický proud je známý jako elektromagnetická indukce. • Současně objevena v roce 1831 • Michaelem Faradayem (1791 – 1867) anglickým fyzikem a Josephem Henry (1799 – 1878) americkým fyzikem.

17. Střídavý proud • Faraday požíval svůj objev ke konstrukci prvního dynama, v němž spojitá rotace kotvy z měděného plechu mezi póly magnetu produkovala stejnosměrný proud. • Mechanická energie se přeměňovala na elektrickou prostřednictvím magnetického pole • Opačným užitím dynama je elektrický motor, v němž je proud používán ke vzniku nepřetržitého kruhového pohybu magnetu nebo skupiny magnetů • Elektrická energie je přeměňována na mechanickou prostřednictvím magnetického pole • Elektromotory: šicí stroje, automobilové startéry, ledničky, vysavače, vlaky, kuchyňské roboty, pračky, vysoušeč vlasů.. Jen těžko si představíme svůj život bez motoru.

18. Magetická paměť • Magnetický pásek byl původně užit na analogový záznam s charakteristickou pomalou přístupovou dobou • Magnetické disky – rychlé uskladnění, přístup stále rostoucích množství informací • Plastové karty s magnetickým proužkem - bankovní karty, kreditní karty • M – RAM udrží informace permanentně v takzvané nesmazatelné paměti ( Díky vývoji nových magnetických materiálů v nichž magnetické vlastnosti individuálních molekulárních magnetů mohou být řízeny v nanotechnologickém měřítku.) • Magnetický mikroprocesor • Magnetický čip

19. Využití magnetických látek • V chemii - nukleární magnetická rezonance (NMR spectrocopy) je cenným nástrojem v molekulární strukturální analýze • MRI - zobrazovací technika v lékařství pro diagnostiku vnitřních orgánů • Obě metody jsou založeny na skutečnosti, že některá atomová jádra se chovají jako malé magnety a mohou se orientovat ve směru nebo proti vnějšímu poli, vytvářeného silným magnetem. Přiložené vlny radiové frekvence mohou přimět jádra, aby přeskakovala mezi oběma přípustnými směry. Frekvence, při níž k těmto přeskokům dochází dává orientaci také o okolí atomového jádra, které se na procesu podílí. • Magnetická levitace – založena na odpodivé síle mezi souhlasnými póly magnetů, využito v moderních vlakových systémech • Lineární indukční motor vyvinul Eric Laithawait ( 1921 – 1997) v Londýně. Většina motorů vytváří kruhový pohyb. Lineární indukční motor vztváří přímočarý pohyb, který je mnohem účinnější. Vlakový motor se zkládá z řady odděleně aktivovaných elektromagnetů, které jsou napájeny třemi fázemi střídavého proudu a severní a jižní póly se střídají jako když vlna prochází vrchem a dolem.

20. Magnetický vlak • Magnetická levitace – založena na odpudivé síle mezi souhlasnými póly magnetů byla využita v moderních vlakových systémech. • Lineární indukční motor vyvinul Eric Laithwaite ( 1921 – 1997) v Londýně. Většina motorů vytváří kruhový pohyb. Lineární indukční motor vytváří přímočarý pohyb, který je mnohem účinnější. Vlakový motor se skládá z řady odděleně aktivovaných elektromagnetů, které jsou napájeny třemi fázemi střídavého proudu a severní a jižní póly se střídají jako když vlna prochází vrchem a dolem. Hliníková dráha blízko každého elektromagnetu vyvine přirozeně vlivem elektromagnetické indukce opačně orientované magnetické pole, které pak vlak zvedne nad dráhu. Vlivem vytvářené magnetické vlny je vlak nesen na magnetickém odpudivém polštáři. • Celkový výsledek je přímočarý pohyb, téměř bez tření. • Laithwaiteovy nápady měly být uskutečněny v 60. a 70. letech. Když však britská vládní politika nefavorizovala veřejné výdaje na železnice a finance byly kráceny, z projektu sešlo. Laithwaite byl zklamaný a technologie se nakonec stěhovaly do Japonska, USA a Německa. Prototyp vlaku Maglev byl zkoušen mezi Birminghame a letištěm. Japonské národní železnice zlomily rychlostní rekordy pro vlaky. Konvenční francouzský TGV dosáhl 547 km/h, ačkoli normální rychlost je 335 km/h. Projekt je velmi drahý – asi 20 km takové trati přijde na 68 miliard korun. • V roce 1999 dva magnetické vlaky se míjely rychlostí 1 003 km/h na zkušebním okruhu Yamanashi přes most Ogatayama, kde jeden vlak jel 546 km/h a druhý 457 km/h. Cestující museli odevzdat magnetické karty, protože by se ve vlaku „vymazaly“ vysokým okolním magnetickým polem. Překonat tento problém pomůže lepší magnetické stínění.

21. Urychlovače částic • Cyklotron, synchrotron obsahují silné elektromagnety • Elektromagnetická pole zrychlují částice na rychlosti blížící se k rychlosti světla. • Urychlené částice se srážejí s těžšími částicemi. • Hlavní myšlenka těchto pokusů je jednoduchá a užívaná v našem životě. Když se chceme podívat co je uvnitř něčeho, co nemůžeme otevřít, tak to rozbijeme na části.

22. Jaderná fůze • U lehkých prvků představuje vytvoření obrovského množství energie za nízkou cenu. • V tradiční fůzi (sloučení) kladně nabitá jádra musí být ohřáta na velmi vysoké teploty, aby získala dostatečnou kinetickou energii, která by umožnila při srážce překonat potenciálový val, tvořený kladnými náboji jader. • Požadovaná teplota je asi 100 milionů stupňů. • Médium nevydrží v běžné nádobě. • Plazma je udržováno v magnetické lahvi, v níž je zachyceno v silném magnetickém poli bez fyzického kontaktu se stěnami nějaké nádoby.

23. Sluneční vítr • Slunce vyvrhne vysoce energetické částice – ionty – sluneční vítr. • Sluneční vítr je zachycován zemským magnetickým polem nad magnetickými póly. • Vyvolává reakci v ionosféře a tím vyvolává polární záři. • Projevuje se jako svítící závěsy, oblouky a pruhy červené a zelené barvy. • Čím je Slunce aktivnější, tím je polární záře vidět i na nižších zeměpisných šířkách např. britských ostrovech. Z prostoru je polární záře viditelná jako kruh světla obklopující zemský magnetický pól. • Slyšitelné zvuky jsou na dlouhých vlnách i na nižších zeměpisných šířkách • Magnetosféra je vyjádření pro zemské magnetické pole v prostoru. • Magnetosféra funguje jako ochrana, Odchyluje většinu slunečního větru dál od Země.

24. Magnetické pole Slunce • Má silnější a dynamické magnetické pole • Periodicky se obrací každých 11 let (odpovídá četnosti slunečních skvrn) • Zviditelněno sluneční koronou, která je viditelná během úplného zatmění Slunce. • Roku 2000 se aktivita blížila vrcholu • Vědci předpovídají, že silné magnetické bouře způsobí v rozlehlých oblastech Severní Ameriky výpadky elektrických napájecích zdrojů. • Příčinou bude obrovský proud ve vedení vysokého napětí a tím se vypálí pojistky v elektrické distribuční síti. • Moderní komunikační sítě byly podle očekávání ochromeny těmito bouřemi.

25. Magnetické pole • Mgr. Markéta Lorenzová • Gymnázium, Plasy, Stará cesta 363