MAGNETICKÉ POLE: INTENZITA, CHARAKTERISTIKA, ZDROJE, PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Magnetické pole je vliv, který pohybující se elektrické náboje mají v prostoru, který je obklopuje. Poplatky mají vždy elektrické pole, ale pouze ty, které jsou v pohybu, mohou generovat magnetické efekty.

Existence magnetismu je známa již dlouhou dobu. Starověcí Řekové popsali minerál schopný přitahovat malé kousky železa: byl to lodestone nebo magnetit.

Obrázek 1. Vzorek magnetitu. Zdroj: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Mudrci Thales Miletus a Platón byli zaneprázdněni nahráváním magnetických efektů ve svých spisech; mimochodem, také znali statickou elektřinu.

Magnetismus však nebyl spojen s elektřinou až v 19. století, když Hans Christian Oersted poznamenal, že kompas se odchyluje v blízkosti vodivého drátu nesoucího proud.

Dnes víme, že elektřina a magnetismus jsou takřka dvě strany téže mince.

Magnetické pole ve fyzice

Ve fyzice je termín magnetické pole vektorovou veličinou, s modulem (jeho číselnou hodnotou), směrem v prostoru a smyslem. Má také dva významy. Prvním z nich je vektor někdy nazýván magnetická indukce a je označen B.

Jednotkou B v mezinárodním systému jednotek je tesla, zkráceně T. Další veličinou nazývanou také magnetické pole je H, známá také jako intenzita magnetického pole a jejíž jednotka je ampér / metr.

Obě veličiny jsou úměrné, ale jsou definovány tímto způsobem, aby se zohlednily účinky magnetických materiálů na pole, která jimi procházejí.

Pokud je materiál umístěn uprostřed vnějšího magnetického pole, bude výsledné pole záviset na tomto a také na vlastní magnetické odezvě materiálu. Proto jsou B a H spojeny:

B = μ _m H

Zde μ _m je konstanta, která závisí na materiálu a má vhodné jednotky, takže při násobení H je výsledkem tesla.

C

- Magnetické pole je velikost vektoru, má tedy velikost, směr a smysl.

- Jednotkou magnetického pole B v mezinárodním systému je tesla, zkráceně T, zatímco H je ampér / metr. Další jednotky, které se v literatuře objevují často, jsou gauss (G) a oersted.

-Magnetické siločáry jsou vždy uzavřené smyčky, opouštějící severní pól a vstupující na jižní pól. Pole je vždy tečné k řádkům.

-Magnetické póly jsou vždy prezentovány v páru sever-jih. Není možné mít izolovaný magnetický pól.

- Vždy pochází z pohybu elektrických nábojů.

-Jeho intenzita je úměrná velikosti zátěže nebo proudu, který ji vytváří.

- Velikost magnetického pole klesá s inverzí čtverce vzdálenosti.

-Magnetická pole mohou být konstantní nebo proměnná, a to jak v čase, tak v prostoru.

- Magnetické pole je schopné vyvinout magnetickou sílu na pohybující se náboj nebo na drát, který přenáší proud.

Pólů magnetu

Čárový magnet má vždy dva magnetické póly: severní pól a jižní pól. Je velmi snadné ověřit, že póly stejného znaku odpuzují, zatímco přitahují póly různých typů.

To je docela podobné tomu, co se děje s elektrickým nábojem. Lze také pozorovat, že čím blíže jsou, tím větší je síla, s níž se navzájem přitahují nebo odpuzují.

Čárové magnety mají výrazný vzor polních čar. Jsou to ostré křivky, opouštějící severní pól a vstupující na jižní pól.

Obrázek 2. Čáry magnetického pole tyčového magnetu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jednoduchý experiment, jak se podívat na tyto řádky, je rozprostřít železné piliny na horní část papíru a umístit tyčový magnet pod něj.

Intenzita magnetického pole je dána jako funkce hustoty linií pole. Ty jsou vždy nejhustší poblíž pólů a šířily se, když jsme se vzdálili od magnetu.

Magnet je také známý jako magnetický dipól, ve kterém jsou dva póly přesně severní a jižní magnetické póly.

Ale nikdy je nelze oddělit. Pokud rozstřílíte magnet na polovinu, získáte dva magnety, každý s příslušnými severními a jižními póly. Izolované póly se nazývají magnetické monopoly, ale dosud žádný nebyl izolován.

Prameny

Dá se mluvit o různých zdrojích magnetického pole. Pohybují se od magnetických minerálů, přes samotnou Zemi, která se chová jako velký magnet, až po elektromagnetické.

Pravda však je, že každé magnetické pole má svůj původ v pohybu nabitých částic.

Později uvidíme, že prvotní zdroj veškerého magnetismu spočívá v malých proudech uvnitř atomu, hlavně v těch, které jsou vytvářeny v důsledku pohybu elektronů kolem jádra a kvantových účinků přítomných v atomu.

S ohledem na jeho makroskopický původ však můžeme myslet na přírodní zdroje a umělé zdroje.

Přírodní zdroje se v zásadě „nevypínají“, jsou to permanentní magnety, je však třeba vzít v úvahu, že teplo ničí magnetismus látek.

Pokud jde o umělé zdroje, lze magnetický efekt potlačit a řídit. Proto máme:

-Magnety přírodního původu, vyrobené z magnetických minerálů, jako je například magnetit a maghemit, například oxidy železa.

-Elektrické proudy a elektromagnety.

Magnetické minerály a elektromagnety

V přírodě existují různé sloučeniny, které vykazují pozoruhodné magnetické vlastnosti. Jsou schopné přitahovat například kusy železa a niklu, stejně jako další magnety.

Zmíněné oxidy železa, jako je magnetit a maghemit, jsou příklady této třídy látek.

Magnetická susceptibility je parametr, který se používá ke kvantifikaci magnetických vlastností hornin. Základní vyvřelé horniny jsou horniny s nejvyšší citlivostí kvůli jejich vysokému obsahu magnetitu.

Na druhou stranu, pokud budete mít drát, který přenáší proud, bude tam přidružené magnetické pole. Zde máme další způsob, jak vygenerovat pole, které v tomto případě má tvar soustředných kruhů s drátem.

Směr pohybu pole je dán pravidlem pravého palce. Když palec pravé ruky ukazuje ve směru proudu, čtyři zbývající prsty označí směr, ve kterém jsou linie pole ohnuty.

Obrázek 3. Pravítko pravého palce k získání směru a smyslu magnetického pole. Zdroj: Wikimedia Commons.

Elektromagnet je zařízení, které produkuje magnetismus z elektrických proudů. Výhodou je, že je lze podle potřeby zapínat a vypínat. Když proud ustane, magnetické pole zmizí. Kromě toho lze také regulovat intenzitu pole.

Elektromagnety jsou mimo jiné součástí reproduktorů, pevných disků, motorů a relé.

Magnetická síla na pohybující se náboj

Existenci magnetického pole B lze ověřit pomocí zkušebního elektrického náboje q-, které se pohybuje rychlostí v. Z tohoto důvodu je alespoň na okamžik vyloučena přítomnost elektrických a gravitačních polí.

V takovém případě je síla působící na náboj q, který se označuje jako F _B, je zcela v důsledku vlivu pole. Kvalitativní je pozorováno následující:

-The velikost F _B je úměrná q a rychlosti v.

-Pokud v je rovnoběžná s vektoru magnetického pole, je velikost F _B je nula.

- Magnetická síla je kolmá k oběma v a B.

- Konečně, velikost magnetické síly je úměrná sin 9, kde 9 je úhel mezi vektorem rychlosti a vektorem magnetického pole.

Všechny výše uvedené platí pro kladné i záporné poplatky. Jediným rozdílem je, že směr magnetické síly je obrácený.

Tato pozorování souhlasí s vektorovým produktem mezi dvěma vektory, takže magnetická síla, kterou zažívá bodový náboj q, pohybující se rychlostí v uprostřed magnetického pole, je:

F _B = q v x B

Čí modul je:

Obrázek 4. Pravítko pro magnetickou sílu na kladný bodový náboj. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jak se vytváří magnetické pole?

Existuje několik způsobů, například:

-Magnetizací vhodné látky.

- Protékání elektrického proudu vodivým drátem.

Původ magnetismu v hmotě je však vysvětlen zapamatováním, že musí být spojen s pohybem nábojů.

Elektron obíhající jádro je v podstatě malý uzavřený proudový obvod, ale ten, který je schopen podstatně přispět k magnetismu atomu. V magnetickém materiálu je velmi mnoho elektronů.

Tento příspěvek k magnetismu atomu se nazývá okružní magnetický moment. Ale je jich víc, protože překlad není jediným pohybem elektronu. Má také magnetický spinový moment, kvantový efekt, jehož analogií je rotace elektronu na jeho ose.

Ve skutečnosti je magnetický moment točení hlavní příčinou magnetismu atomu.

Typy

Magnetické pole je schopné nabývat mnoha podob v závislosti na rozložení proudů, které jej vytvářejí. Na druhé straně se může lišit nejen prostorem, ale také časem, nebo obojím současně.

- V blízkosti pólů elektromagnetu je přibližně konstantní pole.

- Rovněž uvnitř solenoidu se získá pole vysoké intenzity a rovnoměrnosti, přičemž linie pole směřují podél osové osy.

- Magnetické pole Země se docela dobře přibližuje poli tyčového magnetu, zejména v blízkosti povrchu. Kromě toho sluneční vítr modifikuje elektrické proudy a znatelně jej deformuje.

-Drát, který přenáší proud, má pole ve formě soustředných kruhů s drátem.

Pokud jde o to, zda se pole může v průběhu času měnit, máme:

- Statická magnetická pole, když se jejich velikost ani směr v průběhu času nemění. Pole tyčového magnetu je dobrým příkladem tohoto typu pole. Také ty, které pocházejí z vodičů, které nesou stacionární proudy.

-Variabilní pole v průběhu času, pokud se některá z jejich charakteristik v průběhu času mění. Jedním ze způsobů, jak je získat, jsou generátory střídavého proudu, které využívají jev magnetické indukce. Nacházejí se v mnoha běžně používaných zařízeních, například v mobilních telefonech.

Biot-Savartův zákon

Když je požadováno vypočítat tvar magnetického pole vytvářeného rozdělením proudů, lze využít zákon Biot-Savart, objevený v roce 1820 francouzskými fyziky Jean Marie Biot (1774-1862) a Felix Savart (1791-1841).).

Pro některé současné distribuce s jednoduchými geometriemi lze matematický výraz pro vektor magnetického pole získat přímo.

Předpokládejme, že máme drátový segment s rozdílnou délkou dl, který nese elektrický proud I. Předpokládá se, že drát bude také ve vakuu. Magnetické pole, které vytváří toto rozdělení:

-Snižuje se s obrácením čtverce vzdálenosti k drátu.

-Je to úměrné intenzitě proudu I, který prochází drátem.

-Jeho směr je tangenciální k obvodu poloměru r centrovaného na drátu a jeho směr je dán pravidlem pravého palce.

- μ _o = 4π. 10 - ⁷ Tm / A

- d B je rozdíl magnetického pole.

- I je intenzita proudu protékajícího drátem.

- r je vzdálenost mezi středem drátu a bodem, kde chcete pole najít.

-r je vektor, který jde od drátu k bodu, kde chcete vypočítat pole.

Příklady

Níže jsou uvedeny dva příklady magnetického pole a jejich analytické výrazy.

Magnetické pole vytvořené velmi dlouhým přímočarým drátem

Prostřednictvím zákona Biot-Savart je možné získat pole produkované tenkým konečným drátěným drátem, který nese proud I. Integrací podél dirigenta a přijetím omezujícího případu, ve kterém je velmi dlouhý, velikost pole výsledek:

Pole vytvořené Helmholtzovou cívkou

Helmholtzova cívka je tvořena dvěma identickými a soustřednými kruhovými cívkami, do nichž je předán stejný proud. Slouží k vytvoření přibližně rovnoměrného magnetického pole v něm.

Obrázek 5. Schéma Helmholtzových cívek. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jeho velikost ve středu cívky je:

Y je směrováno podél osové osy. Faktory rovnice jsou:

- N představuje počet závitů cívek

- Já jsem velikost proudu

- μ _o je magnetická propustnost vakua

- R je poloměr cívek.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 1. Kinematika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Intenzity magnetického pole H. Obnoveno z: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohled na svět. 6. zkrácené vydání. Cengage Learning.
4. Magnetické pole a magnetické síly. Obnoveno z: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 2. 7. Ed. Cengage Learning.
7. University of Vigo. Příklady magnetismu. Obnoveno z: quintans.webs.uvigo.es