Stacionární magnetické pole

1. Stacionární magnetické pole Mgr. Andrea Cahelová Hlučín 2013

2. Magnetické pole – úvod • Magnetické pole existuje v okolí trvalého magnetu, vodiče, kterým prochází proud, cívky, kterou prochází proud, zmagnetizovaného tělesa, … • Hans Christian Oersted – dánský fyzik • Na tělesa v magnetickém poli působí magnetická síla – přitažlivá nebo odpudivá. • Magnetické pole znázorňujeme pomocí magnetických indukčních čar (uzavřené křivky – vírové pole).

3. Odkazy: • Oerstedův experiment... • Videa z elektřiny a magnetismu... • Videopokusy... • Milionář z fyziky... Applety na celou fyziku... (lze zvolit češtinu) • Animace z celé fyziky... (rusky)

4. Magnetická indukce • Vektorová fyzikální veličina, která se používá k popisu magnetického pole. • Značka: B • Jednotka: T (Tesla … podle chorvatského elektrotechnika Nikoly Tesly) • Magnetická síla je přímo úměrná délce vodiče a proudu procházejícím vodičem. • Fm I l • Fm= B I l B … magnetická indukce, konstanta úměrnosti • Vztah pro magnetickou sílu, platí pouze v případě, že je vodič kolmý k indukčním čárám.

5. Pokud vodič svírá s indukčními čárami úhel  vypočítá se velikost magnetické síly podle vztahu: • Fm= B I l sin . • Směr magnetické síly určíme pomocí Flemingova pravidla levé ruky. • Podle magnetické indukce dělíme pole nahomogenní(B = konst., magnetické indukční čáry jsou rovnoběžné) a nehomogennípole. • Velikost magnetické indukce v blízkosti trvalého magnetu – desítky až jednotky mT. Magnetická indukce Země řádově – desítky T.

6. Magnetické pole cívky s proudem • Cívka – drát namotaný na nevodiči. • Magnetické pole lze zesílit vložením jádra z magneticky měkké oceli do cívky – cívka s jádrem = elektromagnet (na rozdíl od permanentního magnetu se dá magnetické pole vypnout) • Pro magnetickou indukci cívky platí:

7. Magnetické pole cívky s proudem S směr proudu N Póly magnetické pole cívky s proudem najdeme pomocí Ampérova pravidla pravé ruky. Solenoid – dlouhá válcová cívka s velkým počtem závitů, jejichž průměr je mnohem menší než délka cívky.

8. Úkoly: • Najděte na internetu vysvětlení pojmu: feromagnetická látka, hysterezní smyčka, permeabilita. • Najděte různé hodnoty relativní permeability. • Najděte na internetu využití elektromagnetu a magnetu.

9. Magnetické pole rovnoběžného vodiče s proudem • Magnetické pole dlouhého přímého vodiče s proudem. Magnetické indukční čáry jsou kružnice se středem ve vodiči. • Směr magnetických indukčních čar určíme pomocí pravidla pravé ruky. • Hans Christian Oersted – dánský fyzik I d

10. Magnetické pole rovnoběžného vodiče s proudem • Vektor magnetické indukce má směr tečny k indukčním čárám, pro jeho velikost platí: •  … permeabilita prostředí, konstanta, která charakterizuje magnetické prostředí. •  = 0 r • 0… permeabilita vakua = 4 10-7 N/A2 • r… relativní pemeabilita prostředí (bezrozměrná veličina) I B B d

11. Magnetické pole rovnoběžných vodičů s proudem • Pokud máme rovnoběžné vodiče s proudy budou na sebe navzájem působit svými magnetickými poli. • V případě, že mají proudy ve vodičích stejný směr – vodiče se přitahují, nemají stejný směr – vodiče se odpuzují. I1 I2 I2 I1 B Fm B d Fm

12. Velikost magnetické síly dvou rovnoběžných vodičů vypočítáme podle vztahu: • Pomocí tohoto vzorce můžeme definovat jednotku proudu – Ampér: • Ampér je stálý proud, který mezi dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči, zanedbatelného průřezu, ve vakuu, ve vzdálenosti 1 m od sebe vyvolá sílu o velikosti 2 ˙ 10-7 N na jeden metr délky.

13. Částice s nábojem v magnetickém poli • Proud ve vodiči je tvořen volnými elektrony, na které rovněž působí magnetické pole. • Pro velikost magnetické síly působící na jeden elektron platí: • Fm = B I l = B e v • Pro určení směru magnetické síly použijeme Flemingovo pravidlo levé ruky – v případě kladné částice. V případě záporné částice použijeme pravou ruku.

14. Pokud se částice s nábojem pohybuje v elektrickém i magnetickém poli působí na ni tzv. Lorentzova síla, která je vektorovým součtem elektrické a magnetické síly. • FL = Fe + Fm • FL = E e + B e v = e ( E + B v ) • Využití: vychylování elektronového paprsku v televizní CRT obrazovce.

15. Hallův jev • Vodivou destičku z kovu nebo polovodiče, která je připojena ke zdroji napětí, vložíme do magnetického pole, tak aby vektor magnetické indukce byl na destičku kolmý. • Na destičce se vytvoří malé napětí tzv. Hallovo napětí, vlivem působení magnetické síly na volné elektrony. • Využití: měřící přístroje teslametry

16. Úkoly: • Najděte na internetu, kdy dostal Hall za svůj objev Nobelovu cenu. • Najděte na internetu, na jakém principu fungují jednotlivé typy televizních obrazovek: CRT, LCD, plazmové, LED, … • Najděte na internetu informace o fyzikovi, po kterém je pojmenována Lorenzova síla. • Odvoďte jednotku permeability vakua.

17. Magnetické vlastnosti látek • Elektrony v obalu atomu svým pohybem vytvářejí el. proud , tím elementární magnetická pole. Pokud jsou ve stejném směru navzájem skládají a vytvářejí magnetické domény. • Vznikem a následným zesílením vnějšího magnetického pole, se mění velikost magnetických domén, dochází k magnetování. • Při určité velikost magnetické indukce vnějšího magnetického pole, se doménová struktura ztrácí – látka je magneticky nasycená. B1 >B2 B2 B = 0 B1

18. Rozdělení látek podle magnetických vlastností • Diamagnetické: • nepatrně zeslabují magnetické pole, • mají relativní permeabilita je menší než jedna, • př. inertní plyny, měď, rtuť. • Paramagnetické: • nepatrně zesilují magnetické pole, • mají relativní permeabilita je větší než jedna, • př. Al, Pt, O…

19. Feromagnetické: • silně zesilují magnetické pole, • mají relativní permeabilitu značně větší než jedna, až 105, • př. ocel, kobalt, Ni …, • využívají se jako jádra elektromagnetu, • magneticky měkké materiály – snadno se zmagnetizují, • nepatří zde plyny a kapaliny, • Každá látka při určité teplotě ztrácí feromagnetické vlastnosti, tzv. Curierova teplota (Fe 770 °C). • Ferimagnetické (ferity): • značně zesilují magnetické pole, mají velký odpor, • relativní permeabilita je až 103, • př. oxidy železa a jiných kovů, • využití permanentní magnety, jádra cívek.

20. Nestacionární magnetické pole Vzniká: • Pohybem permanentního (trvalého) nebo dočasného magnetu • Pohybem cívky nebo vodiče, kterým prochází proud • Využití: výroba elektrické energie v elektrárnách pomocí alternátorů

21. Otázky k opakování: • Kde vzniká magnetické pole? • Načrtněte magnetické pole Země. • Co je to Flemingovo pravidlo levé ruky, k čemu se využívá? • Co je to cívka a elektromagnet? • Jak se dá zesílit magnetické pole cívky? • Kde se využívá elektromagnet? • Jak vznikne dočasný magnet? • Co je to solenoid a toroid? • Vysvětlete pojem permeabilita a její výpočet. • Jakou hodnotu má permeabilita vakua? • Dvěma dlouhými přímými vodiči, prochází proud. Popište, kdy se budou přitahovat a kdy odpuzovat. • Kde se využívají magnetické látky? • Co je to feromagnetická látka? • Co je to ferit? • Vysvětlete pojem Curierova teplota.

22. Použitá literatura • LEPIL, O., ŠEDIVÝ, P. Fyzika pro gymnázia – Elektřina a magnetismus. Praha: Prometheus, 2002. ISBN 80-7196-237-6. • LEPIL, O., BEDNAŘÍK, M., HÝBLOVÁ, R. Fyzika pro střední školy 2. Praha: Prometheus, 1992. ISBN 80-85849-05-4.