Stacionární magnetické pole Mgr. Andrea Cahelová Hlučín 2013

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).

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

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.

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 na homogenní (B = konst., magnetické indukční čáry jsou rovnoběžné) a nehomogenní pole. Velikost magnetické indukce v blízkosti trvalého magnetu – desítky až jednotky mT. Magnetická indukce Země řádově – desítky T.

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:

Magnetické pole cívky s proudem směr proudu S 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.

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

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

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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

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…

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.

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

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.

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.