~ Fizika ~Magnetska sila

Studij Informatičkog dizajnaOsijek 2008.

Stanislav Mihić

2

§ Magnetska sila §• Pretpostavlja se da su magnetske pojave prvi puta primijećene još

800 godina prije Krista u Kini i Europi. • Kinezi su prvi praktično upotrebljavali magnetske materijale za

navigaciju oko 100 god. Nove ere.• Danas se pouzdano zna se da je prvi prirodni magnet zapravo

pronađen kao mineralni depozit u stijenama,te nazvan magnetit. • Magnetizirane stijene bogate su rudom magnetit koja je po

kemijskom sastavu željezni oksid (Fe3O4).• U prirodi prvi je magnet nastao udarom munje (električni izboj)

direktno u ili u neposrednu blizinu stijene bogate magnetitom, koja zbog svoje visoke struje, reda veličine 1.000.000 ampera, proizvede snažno magnetsko polje koje ju namagnetizira.

3

§ Magnetska sila §• magnetizam je pojava koju primjećujemo kao odbojnu ili privlačnu silu

izmedu magneta i sličnih feromagnetskih materijala.

• Znanstveno tumačenje je da je magnetizam sila međudjelovanja između električki nabijenih čestica u gibanju; brzine gibanja čestica su bliske brzini svjetlosti (c=299,792,458km/sec).

• Na atomskom nivou dakle radi se o relativnom gibanju elektrona - negativno nabijanih subatomskih čestica.

• Kao i planete u sunčevom sustavu, elektroni se gibaju i oko svoje osi i oko jezgre atoma.

• Oba vrsta gibanja proizvode magnetsko polje između elektrona, a elektroni poprimaju svojstva mikroskopskih štapićastih magneta sa sjevernim i južnim polom.

• Oko ovako 'beskonačno' malog magneta nalaze se magnetske silnice, koje 'izviru' iz sjevernog pola,te zakrivljuju u obliku elipse da bi završile u južnom polu.

4

§ Magnetska sila §• Magnetizam je jedna od četiri osnovne sile u prirodi

(elektromagnetska, gravitacijska, slaba nuklearna i jaka nuklearna sila).

• Nekad se mislilo da su ove pojave neovisne jedna o drugoj no kroz povijest znanstvenici su došli do zaključaka da su te sile međusobno povezane.

• Tako je 1819. godine Hans Christian Oersted otkrio vezu između električne i magnetske sile u eksperimentu s vodičem kroz koji teče struja i magnetskom iglom kompasa.

• Dokazao je da se magnetsko polje oko vodiča stvara dok kroz njega teče struja pokazavši kako je polje svojim utjecajem zakrenulo magnetsku iglu kompasa tako da ona zatvara pravi kut u odnosu na os vodiča.

5

§ Magnetska sila §• Ono govori da se oko vodiča kroz koji teče struja u smjeru palca,

stvaraju silnice čiji smjer polja je u smjeru pokazivanja ostalih prstiju.

6

§ Magnetska sila §

Vrste magnetizma

• Postoji pet različitih vrsta magnetizma: dijamagnetiazm, paramagnetizam, feromagnetizam, ferimagnetizam i antiferomagnetizam.

• Točnije, svih pet termina odnose se na pet različitih načina na koje materijali 'odgovaraju' na proces magnetizacije – tj. izlaganje materijala magnetskom polju.

• Tvari koje po svojoj prirodni nisu magneti, u prisustvu magnetskog polja ponašati će se ili kao dijamagneti – utjecati će na smanjenje prisutnog magnetskog polja, ili kao paramagneti – utjecati će na neznatno povećanje prisutnog magnetskog polja (samo one tvari koje imaju neparni broj elektrona po atomu).

• Za razliku od dijamagnetizma i paramagnetizma, fero-, feri- i antiferimagnetizam opisuju ponašanje 'prirodnih magneta' u prisustvu magnetskog polja.

7

§ Magnetska sila §Feromagnetizam

• Feromagnetizam je svojstvo materijala, poput željeza (ferro), da 'zapamti' učinak magnetskog polja kojemje bio izložen.

• Feromagneti se sastoje od mnoštva mikroskopskih domena (područja) – skupine atoma promjera cca. 5x10-5 m. U pojedinim domenama magnetski momenti mogu biti sinkronizirani ali smjerovi magnetskih sila različitih domena ostaju nasumično raspoređeni.Domene se sinkroniziraju pod utjecajem vanjskog magnetskog polja, Ako maknemo prineseni magnet, domene će se obično ponovno vratiti u prvobitne položaje a svojstva magneta će nestati.

• Ukoliko feromagnet stavimo u izuzetno jako magnetsko polje kroz određeno vrijeme, domene će ostat trajno sinkronizirane čime dobivamo permanentni magnet.Ovaj efekt je još poznat pod nazivom histereza.

8

§ Magnetska sila §

• Feromagneti imaju visoku relativnu magnetsku permeabilnost.Magnetska permeabilnost (μ) je konstanta proporcionalnosti između magnetske indukcije i intenziteta magnetskog polja i za vakuum iznosi μo = 1.257×10-6 H/m. (henrija po metru)

• Magnetska permeabilnost se obično izražava kao relativna vrijednost.

• Najpoznatiji materijali s izraženim feromagnetskim svojstvima su željezo, kobalt i nikal.

9

§ Magnetska sila §• Dijamagnetizam je jako slab oblik magnetizma koji se može

registrirati samo uz prisustvo vanjskog magnetskog polja.

• Ako vodiču koji ima otpor nula prinesemo izvor magnetskog polja, u tom će se vodiču inducirati vrtložna električna struja (Lorentzova sila koja djeluje na slobodne elektrone u supervodiču koji se počinju kružno gibati zbog promjene magnetskog polja) koja će proizvesti polje identičnog intenziteta prinesenom ali suprotnog polariteta. Ova pojava 'istiskivanja magnetskih silnica'

• Supervodiči su vjerojatno jedina važna primjena dijamagnetizma.

10

§ Magnetska sila §

Permanentni magneti • Ako se komad željeza prinese permanentnom magnetu, domene

unutar željeza će se orijentirati u istom smjeru i željezo postaje magnetizirano.

• Magnetizirati će se na način da produžuje magnetske silnice koje će ga privući prema magnetu, bez obzira koji pol magneta je okrenut prema željezu.

11

§ Magnetska sila §

Magnetsko polje oko vodiča • Cirkularno magnetsko polje koje se stvara oko vodiča kada njim

protječe struja je posljedica kretanja nabijenih čestica (elektrona) kroz vodič i  (relativističke) pojave - pravilo desne ruke.

• Polje je cirkularno i njegov intenzitet je proporcionalan jakosti struje koja protječe kroz vodič te obrnuto proporcionalan udaljenosti od vodiča.

12

§ Magnetska sila §Pravilo lijeve ruke

• Ako kroz vodič koji se nalazi u magnetskom polju pustimo struju, on će proizvesti silu koja će ga pomicati pod pravim kutem u odnosu na smjer polja u kojem se nalazi i smjer protoka električne struje.Ova pojava naziva se i 'Pravilo lijeve ruke' a vizualno se prikazuje kao na slici gore.

• Ono je posljedica interakcije silnica homogenog magnetskog polja, u kojem se nalazi vodič kroz koji protječe struja, i polja vodiča koje nastaje uslijed protoka struje (cirkularno polje) na način da se silnice s prednje strane vodiča razrjeđuju a sa zadnje strane zgušnjavaju i time pokušavaju istisnuti vodič (u smjeru palca).

13

§ Magnetska sila §• Kod svake vrste polja (električno, magnetsko, gravitacijsko ),

jačinu polja određuje tok.• Mjerenje magnetskog toka se često opisuje brojem silnica toka

iako nije dokazano da takve silnice kao individualne linije stvarno postoje, one su zamišljene crte koje spajaju Sjeverni i Južni pol magneta.

14

§ Magnetska sila §Sila na naboj koji se giba u magnetskom polju

• Sila magnetskog polja na slobodni naboj koji se nekom brzinom giba kroz magnetsko polje je Lorentzova sila

Magnetsko polje djeluje silom na naboje

• Ako se gibaju!• Djeluje samo na okomitu komponentu v• Smjer sile: pravilo lijeve ruke• Iznos sile je

15

§ Magnetska sila §

• Vektor magn. Indukcije B [B]=Vs/m2=T (tesla)• Smjer: (tangencijalan na) linije polja• B=gustoća magnetskog toka

Magnetski tok Φ [Φ]=Vs=Wb (veber)

• količina linija polja koja prolazi kroz neku površinu S• za B=konst. (homogeno polje) i S okomito na B slijedi

• Φ=B⋅S

16

§ Magnetska sila §Veličina sile ako brzina nije okomita na polje:

F = q ⋅v ⋅ B⋅sinα

• α je kut između vektora brzine v i vektora B

17

§ Magnetska sila §

Mjerne jedinice u magnetizmu

18

~ Hvala ~