Magnetické pole.

Prezentace na téma: "Magnetické pole."— Transkript prezentace:

1 magnetické pole

2 Hans Christian Oersted
náboje v pohybu Hans Christian Oersted ( )‏ magnetická střelka se vychyluje, prochází-li blízkým vodičem proud

3 pohyb v magnetickém poli
 𝐵 e- 𝐹 𝑣 𝐹 e+ 𝐹 𝐵 =𝑄 𝑣 × 𝐵 𝑣 𝐹

4 magnetická síla a magnetická indukce
𝐹 𝐵 =𝑄 𝑣 × 𝐵 𝐹 𝐵 =𝑄𝑣𝐵 sin 𝛼 Nikola Tesla ( )‏ jednotka magnetické indukce: 1 N⋅A−1 ⋅m−1 = 1 T (tesla) 1 G (gauss) = 10-4 T

5 magnetická indukce – příklady

6 indukční čáry křivky, k nimž je vektor indukce 𝐵 tečný v každém bodě velikost vektoru 𝐵 je úměrná hustotě indukčních čar vycházejí ze S pólu magnetu, vstupují do J pólu jsou vždy uzavřené: 𝐵 𝑆 𝐵 ∙d 𝑆 =0

7 magnetická interakce příklad
opačné póly magnetu se vzájemně přitahují, souhlasné se odpuzují příklad

8 pohyb v elektrickém a magnetickém poli

9 elektrická a magnetická síla
𝐹 𝑒 =𝑄 𝐸 𝐹 𝐵 =𝑄 𝑣 × 𝐵 𝐹 =𝑄 𝐸 +𝑄 𝑣 × 𝐵 … Lorentzova síla pro spojité rozložení náboje se definuje objemová hustota síly: 𝑓 = d 𝐹 d𝑉 =𝜌 𝐸 + 𝐽 × 𝐵 𝐹 = 𝜌 𝐸 + 𝐽 × 𝐵 d𝑉 závislost 𝑓 pouze na vektorech pole 𝐸 a 𝐵 se vyjadřuje pomocí Maxwellova tenzoru napětí

10 1906: Nobelova cena za fyziku
objev elektronu J. J. Thomson ( ) 1906: Nobelova cena za fyziku J. J. Thomson: Cathode Rays. Philosophical Magazine, 44 (1897) 293. “As the cathode rays carry a charge of negative electricity, are deflected by an electrostatic force as if they were negatively electrified, and are acted on by a magnetic force in just the way in which this force would act on a negatively electrified body moving along the path of these rays, I can see no escape from the conclusion that they are charges of negative electricity carried by particles of matter. The question next arises, What are these particles?”

11 objev elektronu 𝑄 𝑚 = 2𝑦𝐸 𝐵 2 𝐿 2 𝐹 =𝑄 𝐸 +𝑄 𝑣 × 𝐵 𝐸 𝐸 𝐵
“… To throw some light on this point, I have made a series of measurements of the ratio of the mass of these particles to the charge carried by it.” 𝐸 𝐸 𝐵 𝑄 𝑚 = 2𝑦𝐸 𝐵 2 𝐿 2 𝐹 =𝑄 𝐸 +𝑄 𝑣 × 𝐵

12 1937: Nobelova cena za fyziku
poznámka G. P. Thomson ( ) 1937: Nobelova cena za fyziku rtg záření … … a svazek elektronů

13

14 Hallův jev 𝐵= 𝑛𝑄𝑆 𝐼𝑑 𝑈 𝐻 𝑈 𝐻 𝑛= 𝐵𝐼𝑑 𝑈 𝐻 𝑆𝑄

15 pohyb po kružnici v magnetickém poli
𝐹 𝐵 =𝑚 𝑎 𝑛 𝑄𝑣𝐵= 𝑚 𝑣 2 𝑟 𝑟= 𝑚𝑣 𝑄𝐵 poloměr trajektorie 𝜔 𝑐 = 𝑄𝐵 𝑚 cyklotronová frekvence

16 hmotnostní spektrometr
𝑣= 2𝑄𝑈 𝑚 𝑟=𝑚 𝑣 𝑄𝐵

17 cyklotron 𝜔 𝑐 = 𝑄𝐵 𝑚 𝜔 𝑜𝑠𝑐 = 𝜔 𝑐

18 synchrotrony elektronový synchrotron 6 GeV: ESRF Grenoble, www.esfr.fr
protonový synchrotron 1 TeV: Tevatron, Fermilab Illinois, www-bd.fnal.gov LHC (Large Hadron Collider, CERN), protonový synchrotron 7 TeV, lhc.web.cern.ch

19 1 eV = 1, J proton 1 TeV  v ? 1 GeV

20 obecný směr pohybu vůči poli
𝑟= 𝑚 𝑣 ⊥ 𝑄𝐵 𝑝= 𝑣 ∥ 𝑇= 2𝜋𝑚 𝑣 ∥ 𝑄𝐵 𝜔 𝑐 = 𝑄𝐵 𝑚 𝑇= 2𝜋𝑚 𝑄𝐵

21 magnetická zrcadlo a past

22 tokamak např. ITER: 830 m3 plazmatu o teplotě 150 000 000 °C
uzavřeno v magnetickém poli 11,8 T

23 vnitřní sluneční korona

24 magnetické pole Země

25 Ampérova síla

26 Ampérova síla 𝐹 𝐵 =𝐼 𝐿 × 𝐵 𝐹 𝐵 =𝑄 𝑣 𝑑 × 𝐵 𝐹 𝐵 = −𝐼𝐿 𝑣 𝑑 𝑣 𝑑 × 𝐵
𝐹 𝐵 =𝑄 𝑣 𝑑 × 𝐵 𝐹 𝐵 = −𝐼𝐿 𝑣 𝑑 𝑣 𝑑 × 𝐵 𝐹 𝐵 =𝐼 𝐿 − 𝑣 𝑑 𝑣 𝑑 × 𝐵 𝐹 𝐵 =𝐼 𝐿 × 𝐵

27 náboj a element proudovodiče
𝐵 d 𝑠 d 𝐹 𝐵 =𝐼d 𝑠 × 𝐵 𝑄 𝐵 𝑣 𝐹 𝐵 =𝑄 𝑣 × 𝐵

28 proudová smyčka v mag. poli
𝑀=𝐼 𝑎𝑏 𝐵 sin 𝜃 𝑀 =𝐼𝑆 𝑛 × 𝐵 = 𝜇 × 𝐵

29 magnetický dipól 𝜇 =𝑁𝐼𝑆 𝑛 𝑀 = 𝜇 × 𝐵 𝐸 𝑝 =− 𝜇 ∙ 𝐵
magnetický dipólový moment 𝜇 =𝑁𝐼𝑆 𝑛 moment síly působící na dipól 𝑀 = 𝜇 × 𝐵 potenciální energie dipólu 𝐸 𝑝 =− 𝜇 ∙ 𝐵

30 nukleární magnetická rezonance
v silném magnetickém poli (několik T) se energiové hladiny atomového jádra štěpí úměrně velikosti pole ( ∆𝐸 𝑝 =2𝜇𝐵) velikost rozštěpení ∆𝐸 𝑝 pak odpovídá absorpci elektromagnetického vlnění určité frekvence ( MHz) pro zobrazování s prostorovým rozlišením se používají magnetická pole s prostorovým gradientem

31 příklady mag. dipólových momentů

32

33

34 zdroje magnetického pole

35 elektřina, magnetismus a relativita
při pohybu: 𝐹 =𝑄 𝐸 • velikost náboje se nemění • síla je určena intenzitou • vzdálenosti se zkracují 𝑙= 𝑙 0 1− 𝑣 2 𝑐 2 𝑣 + - + - 𝐹 𝑣 +

36 elektřina, magnetismus a relativita
F x x x x x x B x x x x x x x x x x x x v x x x x x x P P´ v

37 pole elektrického proudu
Coulombův zákon d 𝐸 = 1 4𝜋 𝜀 0 d𝑄 𝑟 3 𝑟 Biotův – Savartův zákon d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3 𝜇 0 =4𝜋∙ 10 −7 H∙ m −1 permeabilita vakua: 𝜇 0 𝜀 0 = 𝑐 −2

38 vlastnosti pole princip superpozice: d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3
𝐵 = 𝑖=1 𝑝 𝐵 𝑖 princip superpozice: Jean-Baptiste Biot d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3

39 náboj v pohybu d 𝑠 𝑟 𝑣 𝑟 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 𝑄 𝑣 × 𝑟 𝑟 3 I
d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3 𝑄 𝑣 𝑟 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 𝑄 𝑣 × 𝑟 𝑟 3

40 F2e = Q1E1(2) F2e = Q1E1(2) Fm /Fe  v2/ c2

41 Elektřina, magnetismus a relativita III
elektromagnetická indukce

42 pole dlouhého přímého vodiče
d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3 𝐵= 𝜇 0 𝐼 2𝜋𝑅

43

44 dva dlouhé přímé vodiče
𝐵 𝑎 = 𝜇 0 𝐼 𝑎 2𝜋𝑑 𝐹 𝑏𝑎 = 𝐼 𝑏 𝐿 × 𝐵 𝑎 𝐹 𝑏𝑎 = 𝐼 𝑏 𝐿 𝐵 𝑎 sin 90° = 𝜇 0 𝐿 𝐼 𝑎 𝐼 𝑏 2𝜋𝑑

45 definice ampéru 𝐹 𝑏𝑎 = 𝜇 0 𝐿 𝐼 𝑎 𝐼 𝑏 2𝜋𝑑
𝐹 𝑏𝑎 = 𝜇 0 𝐿 𝐼 𝑎 𝐼 𝑏 2𝜋𝑑 1 ampér je velikost stálého elektrického proudu ( 𝐼 𝑎 =𝐼 𝑏 ), který při průtoku dvěma přímými rovnoběžnými velmi dlouhými vodiči zanedbatelného průřezu vzdálenými 𝑑=1m, vyvolá sílu 𝐹 𝑎𝑏 =2∙ 10 −7 N působící na 𝐿=1m jejich délky.

46

47 pole kruhového oblouku
d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3 𝐵= 𝜇 0 𝐼 𝜑 0 4𝜋𝑅

48 pole kruhového oblouku
d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3

49 pole magnetického dipólu

50 magnetické pole Země A snapshot of the region (yellow) where the fluid flow is the greatest. The core-mantle boundary is the blue mesh; the inner core boundary is the red mesh. Large zonal flows (eastward near the inner core and westward near the mantle) exist on an imaginary "tangent cylinder" due to the effects of large rotation, small fluid viscosity, and the presence of the solid inner core within spherical shell of the outer fluid core.

51 magnetické pole Země A snapshot of the 3D magnetic field structure simulated with the Glatzmaier-Roberts geodynamo model. Magnetic field lines are blue where the field is directed inward and yellow where directed outward. The rotation axis of the model Earth is vertical and through the center. A transition occurs at the core-mantle boundary from the intense, complicated field structure in the fluid core, where the field is generated, to the smooth, potential field structure outside the core. The field lines are drawn out to two Earth radii. Magnetic field is rapped around the "tangent cylinder" due to the shear of the zonal fluid flow.

52 magnetické pole Země Simulation of the interaction between Earth's magnetic field and the interplanetary magnetic field. The magnetosphere is compressed on the day (Sun) side due to the force of the arriving particles, and extended on the night side. (wikipedia)

53 magnetické pole Země The middle of a magnetic dipole reversal.

54 Ampérův zákon d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3 d 𝐸 = 1 4𝜋 𝜀 0 d𝑄 𝑟 3 𝑟
Více o magnetickém poli Elektrické pole Magnetické pole Coulombův zákon d 𝐸 = 1 4𝜋 𝜀 0 d𝑄 𝑟 3 𝑟 Biotův – Savartův zákon d 𝐵 = 𝜇 0 4𝜋 Id 𝑠 × 𝑟 𝑟 3 Ampérův zákon 𝐶 𝐵 ∙d 𝑠 = 𝜇 0 𝐼 Gaussův zákon 𝑆 𝐸 ∙d 𝑆 = 𝑄 𝜀 0 (tok) (cirkulace)

55 výpočet podle Ampérova zákona

56

57 dlouhý přímý vodič – pole vně

58 dlouhý přímý vodič – pole uvnitř

59 solenoid solenoid

60 solenoid - aproximace

61 pole solenoidu a tyčového magnetu
 

62 pole toroidu

63 Elektrické pole Magnetické pole

64 Poissonova rovnice Více o magnetickém poli ∆𝜑=− 𝜌 𝜀 0 ∆ 𝐴 =− 𝜇 0 𝐽
𝑆 𝐸 ∙d 𝑆 = 𝑄 𝜀 0 𝐶 𝐵 ∙d 𝑠 = 𝜇 0 𝐼 div 𝐸 = 𝜌 𝜀 0 rot 𝐵 = 𝜇 0 𝐽 Gaussova-Ostrogradského věta Stokesova věta 𝐶 𝐸 ∙d 𝑠 =0 𝑆 𝐵 ∙d 𝑆 =0 rot 𝐸 =0 div 𝐵 =0 𝐸 =−grad 𝜑 𝐵 =rot 𝐴 div grad 𝜑=− 𝜌 𝜀 0 rot rot 𝐴 = 𝜇 0 𝐽 ∆𝜑=− 𝜌 𝜀 0 ∆ 𝐴 =− 𝜇 0 𝐽 (div 𝐴 =0)

65 integrální vztahy pro potenciály
𝜕 2 𝜑 𝜕 𝑥 𝜕 2 𝜑 𝜕 𝑦 𝜕 2 𝜑 𝜕 𝑧 2 =− 𝜌 𝜀 0 div grad 𝜑=− 𝜌 𝜀 0 ⟺ 𝜑= 1 4𝜋 𝜀 𝜌d𝑉 𝑟 a současně platí: 𝜕 2 𝐴 𝜕 𝑥 𝜕 2 𝐴 𝜕 𝑦 𝜕 2 𝐴 𝜕 𝑧 2 =− 𝜇 0 𝐽 rot rot 𝐴 = 𝜇 0 𝐽 ⟺ (div 𝐴 =0) (po souřadnicích) 𝐴 = 𝜇 0 4𝜋 𝐽 d𝑉 𝑟 = 𝜇 0 𝐼 4𝜋 d 𝑙 𝑟

66 Aharonův-Bohmův jev Více o magnetickém poli
Schrödingerova rovnice pro nabitou částici (q): A. Tonomura et al: Phys Rev Lett 56 (1986) p.792. V elektronově holografické sestavě jeden ze svazků procházel stíněným supravodivým toroidním magnetem, tj. prakticky žádné magnetické pole nebylo mimo toroid. Přesto byl svazek elektronů polem (fázově) ovlivněn.

67 Elektrické pole Magnetické pole Gaussův zákon Ampérův zákon
Gaussova-Ostrogradského věta: Stokesova věta:

68 Elektrické pole Magnetické pole Gaussův zákon Ampérův zákon
Gaussova-Ostrogradského věta: Stokesova věta:

69

70

71

72 Epilog - prolog + + Statická pole: Dynamické pole: elektrické
elektromagnetické + magnetické +