Magnetické pole Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

1. Mgr. Andrea Cahelová • Magnetické pole • Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám • Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/21. 0418 • Číslo klíčové aktivity: III/2 • Název klíčové aktivity: Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

2. Magnetické pole cívky s proudem S N směr proudu 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.

3. 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.

4. Pokud vodič svírá s indukčními čárami úhel  vypočítá se velikost magnetické síly podle vztahu: • Fm= B I l sin  • 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

5. Magnetická síla je kolmá na vodič s proudem a na vektor magnetické indukce. • K určení směru magnetické síly používáme Flemingovo pravidlo levé ruky: • Otevřenou ruku položíme k vodiči tak, aby prsty ukazovaly směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně, odtažený palec ukazuje směr magnetické síly.

6. Magnetické pole rovnoběžného vodiče s proudem • Magnetické pole dlouhého přímého vodiče s proudem. Vektor magnetické indukce má směr tečny k indukčním čárám, pro jeho velikost platí: • B =  I 2d •  … 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

7. 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

8. Velikost magnetické síly dvou rovnoběžných vodičů vypočítáme podle vztahu: • Fm =  I1 I2 l 2  d • 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.

9. 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.

10. 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 obrazovce

11. Příklady k procvičení: • Určete velikost magnetické indukce homogenního magnetického pole, pokud vodič s aktivní délkou 12,5 cm a proudem 10 A svírá s indukčními čárami úhel 60°. • Vzdálenost vodičů v kabelu, kterým prochází proud 25 A, je 5 mm. Jak velkou silou je namáhána izolace mezi vodiči na každém desetimilimetrovém úseku. Relativní permeabilita izolace je 1,2. • Mezi dvěma rovnoběžnými vodiči silnoproudového vedení, jejichž vzájemná vzdálenost je 0,2 m, působí síla o velikosti 16 N na každý metr délky vodičů. Relativní permeabilita prostředí je 1. Určete velikost proudu ve vedení. • Jakou rychlostí se pohyboval proton v magnetickém poli, jestliže na něj působí pole silou 18*10-12 N a magnetická indukce měla velikost 2 T?

12. 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

13. 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

14. Rozdělení látek podle magnetických vlastností • Diamagnetické: • nepatrně zeslabují magnetické pole • mají relativní pemeabilita 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… • Feromagnetické:

15. 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