Stacionární magnetické poleMgr. 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:

NlIB

Magnetické pole cívky s proudem

N S směrproudu

Póly magnetické pole cívky s proudem najdeme pomocí Ampérova pravidlapravé 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

BdB

dIB

2

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

BFm

I1I2

B

Fmd

• 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.

ldIIFm

2

21

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.

B = 0 B1B2

B1 >B2

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:1. Kde vzniká magnetické pole?2. Načrtněte magnetické pole Země.3. Co je to Flemingovo pravidlo levé ruky, k čemu se využívá?4. Co je to cívka a elektromagnet?5. Jak se dá zesílit magnetické pole cívky?6. Kde se využívá elektromagnet?7. Jak vznikne dočasný magnet?8. Co je to solenoid a toroid?9. Vysvětlete pojem permeabilita a její výpočet.10. Jakou hodnotu má permeabilita vakua?11. Dvěma dlouhými přímými vodiči, prochází proud. Popište, kdy se budou

přitahovat a kdy odpuzovat.12. Kde se využívají magnetické látky?13. Co je to feromagnetická látka?14. Co je to ferit?15. 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.