Mágneses alapjelenségek

1. Mágneses alapjelenségek Kezdetek: Magnesia város, mágnesköveket találtak (magnetit) • Mágnesek tulajdonságai: • Mágnesnek két pólusa van (északi és déli) • Mágneses hatás a pólusoknál a legerősebb • Két mágnes vonzza vagy taszítja egymást (É-É tasz., D-D tasz., É-D vonzza egymást) • Kettétört mágnes is mágneses marad és mind a két mágnesnek van É és D pólusa Mágneses tulajdonságot mutató anyagok összefoglaló neve: ferromágneses anyagok (Pl.: Fe, Ni, Co,..) Rúdmágnes: Erőhatások rúdmágnesek között: É D Kettétörés É D É D

2. Mágnesesség erővonalas ábrázolása Mágneses tér ábrázolása: mágneses erővonalakkal történik, vonal iránya adja a mágneses tér irányát, vonalak sűrűsége a mágneses tér nagyságával arányos. Pl. patkómágnes erővonalas ábrázolása: Vasreszelék elhelyezkedése patkó- mágnes körül Rúdmágnes mágneses erővonalai: A mágneses tér É-ből mutat a D-be.

3. Mágneses tér kvantitatív jellemzése Iránytű Mágneses teret jellemző mennyiség a mágneses indukció ( ) Mágneses indukció egy adott pontbeli iránya azonos az iránytű északi pólusának irányával. Nagysága az iránytűre egyensúlyi helyzetbe forgató nyomatékkal arányos.

4. Végtelen hosszú egyenes vezető mágneses tere (mágneses indukció) Vasreszelék elrendeződése Oersted kísérlete: Mozgó töltések mágneses teret hoznak létre. I I Biot-Savart törvényből (későbbi anyag ): B=állandó r sugarú kör mentén és mágneses indukció örvénylik (forog) r r ahol vákuumpermeabilitás

5. Mágneses tér hatása egyenes áramjárta vezetőre A vezetőre erő hat. Áram irányát megfordítva az erő iránya is megfordul. B és I által bezárt szög: B meghatározása: Egyenes vezető esetén: q (befele jel) iránya megegyezik az áram folyási irányával és nagysága pedig a vezető hosszával q Görbülő vezető vagy/és inhomogén mágneses tér esetén: (kifele jel) ahol

6. Áramjárta vezetőkeret homogén mágneses térben Speciális esetek: a b Vezetőkeret felülete: ahol

7. Mágneses momentum (mágneses dipólus) Mágneses momentum vagy mágneses dipólus : A vezetőkeret normálisának irányát az áram iránya rögzíti!!!

8. Áramjárta vezetőkeret homogén mágneses térben Felülnézet: b Oldalnézet: q a q Eredő erő nulla. Erőpár forgatónyomatéka (N=1) ahol Általános eset: ahol

9. Egyenáramú motor működési elve: (stabil állapot) (metastabil állapot) Forgásirány: 180°-onként meg kell változtatni az áram folyásának irányát, hogy a keretet mindig egy irányba forgassa a forgatónyomaték. Megoldás: Kommutátor Stabil állapotból kommutátorral lehet kivinni.

10. Deprez-féle galvanóméter (áramerősség mérése) Működési elv: Az átfolyó áram miatt fellépő keretre ható forgatónyomatékot a spirálrugó ellennyomatéka kiegyensúlyozza egy adott irányban. j Áram a kitéréssel arányos: Mágneses tér forgatónyomatéka: Egyensúlyban: Spirál ellen-forgatónyomatéka:

11. Áramjárta vezetők között ható erők Roget-féle spirál: Ha az áramok iránya ellentétes: l Taszítás lép fel b Ki-be ugrál a higanyból. Drótok vonzzák egymást. Erő nagysága: ahol Vákuum permeabilitása

12. Elektromos és mágneses állandók közti kapcsolat Ez egyenlő a fény vákuumbeli sebességével.

13. Áramvezető mágneses indukciójának számítása Biot-Savart törvény segítségével Körvezető mágneses tere: Föld mágneses tere:

14. g1 g2 Ampere törvény differenciális alakja: Stokes tétel segítségével: g3 Áramsűrűség és áramerősség kapcsolata: A felület= g görbe által határolt felület Mágneses tér örvénylő. Ampere törvény Ampere törvény: Mágneses indukció zárt görbementi integrálja (örvényerősség) arányos a zárt görbe által határolt felületen áthaladó áramok algebrai összegével.

15. Végtelen egyenes áramvezető mágneses indukciójának számítása Ampere törvény segítségével Ampere-trv: r g Körbejárás iránya g- r sugarú kör a vezetőre merőleges irányban és a vezető van a középpontban

16. Áramvezető mágneses indukciójának számítása Ampere törvény segítségével Szolenoid (tekercs) Ampere törvény: Mágneses tér iránya a szolenoid belsejében: l Toroid - menetszám

17. Mágneses tér anyagban Anyagban a mágneses indukció: (Példa elemi köráramra: Atommag körük keringő elektron) Atomok elemi köráramai keltik Makroszkopikus áramok keltik Anyag mágnesezettsége: Mértékegysége: A/m Mágneses térerősség: Mértékegysége: A/m Integrális alak Belátható, hogy anyag jelenlétében az Ampere-trv: Differenciális alak és Relatív permeabilitás Homogén izotróp anyagban: Estek többségében: ,azaz B nő. Gyakran használt mennyiség a mágneses szuszceptibilitás:

18. Anyagok felosztása mágneses tulajdonságiak alapján Gyengén mágneses anyagok: paramágneses és diamágneses anyagok Erősen mágneses anyagok: ferromágneses anyagok, antiferromágneses és ferrimágneses anyagok Curie törvény (1892) Paramágneses anyagok tulajdonságai: Diamágneses anyagok tulajdonságai: Ferromágneses anyagok tulajdonságai:

19. Anyagok felosztása mágneses tulajdonságiak alapján kísérletek segítségével Faraday-osztályozás: Erősen inhomogén tér! Nagyobb mágneses tér felé mozdul el a meniszkusz

20. Ferromágneses anyagok Curie-Weiss törvény: Mágneses hiszterézis jellemzi (ld. B-H görbe). Lokális felmelegítés hatására elfordul a mágnesezett tárcsa

21. Elektromágnes Üres Szolenoid: Vasmagos Szolenoid: Vasmag belsejében kialakuló tér: (ferromágneses anyagra) Sokkal nagyobb tér érhető el vasmaggal!

22. Ferromágnesek domén szerkezete: Kis mágneses tér - tér felé álló doménok nőnek (1. és 3 nő, 2 és 4 összemegy) Nagy mágneses tér – a doménok el is fordulnak vasdrót Barkhausen-effektus Sistergő,suhogó hang ha a domén falak elmozdulnak Magnetosztrikció: Az anyag mágneseződés hatásárára bekövetkező megnyúlása vagy rövidülése

23. Ferromágnesezettség oka: elektronok spinje Elektronoknak az atommag körüli forgásából származó mágneses (pálya) momentuma mellett saját mágneses momentuma is van (s). Külső mágneses térben a spin két értéket vehet fel: -1/2 (térrel ellentétes iránynak felel meg) vagy 1/2 értéket (tér irányába áll be). Ferromágneses anyagokban a spinnek rendeződnek. Ha egy irányban a több spin áll be mint ellentétes irányban akkor az anyag nettó mágnesezettségű lesz azaz ferromágneses. (Kicserélődési energia) Heisenberg és Frenkel (1928) kvantummechanikai elmélete: A spinek úgy állnak be, hogy a rendszer energiája minimális legyen. (Energiaminimum elve.) J >0 ferromágneses rendeződést segíti elő. J<0 antiferromágneses rendeződést okoz. Spinek beállása szerinti anyagosztályozás:

24. Óriás mágneses ellenállás alkalmazása: A merevlemezeken tárolt információ gyors kiolvasása Peter Grünberg és Albert Fert (2007 Fizikai Nobel díj) Óriás mágneses ellenállás jelensége: Mágnesezettség iránya: Fe Fe Króm Króm Fe Fe Nagyobb ellenállás lép fel ha a mágnesezettség iránya ellentétes a két rétegben, mint az egyező irány esetén: Átmenő elektronok 50%-nak spinje mágneses tér irányú és 50%-a térrel ellentétes irányú. A tér irányú spinek könnyedén átjutnak, míg a térrel ellentétesek jobban fékeződnek. Az antiparallel beállású mágneses elrendeződés esetén mind a kétfajta spin egyformán fékeződik, így megnő az ellenállás.

25. Óriás mágneses ellenállás alkalmazása: A merevlemezeken tárolt információ gyors kiolvasása Spinszelep: Kobalt:állandó mágnesezettségű réteg. Kobalt Réz: meggátolja a csatolást a két ferromágneses réteg között. Réz NiFe Mágnesesen tárolt info NiFe: Mágnezettsége könnyen változtatható. Merev lemez Mai számítógépek olvasófeje a fenti spinszelep. A spinszelep elhalad a leolvasandó mágnesesen tárolt információ előtt. A mágneses információ változtatja az NiFe réteg mágnesezettségének irányát, így a fejen átfolyó áram a fej mellett lévő pillanatnyi információtól függ. A spinszelep nagyon vékony kb. 30 nm vastagságú.