Magnetické pole najdeme kolem permanentního magnetu (i kolem Země) a zároveň kolem každého vodiče, kterým prochází elektrický proud.

Transkript

1 MAGNETCKÉ POLE 1. Základní chaakteistiky Magnetické pole se tvoří kolem každé částice s nábojem Q, kteá je v pohybu. Tzn., že magnetismus látek je dán stuktuou atomů (elektony jsou v atomu v pohybu). Magnetické pole najdeme kolem pemanentního magnetu (i kolem Země) a záoveň kolem každého vodiče, kteým pochází elektický poud. Magnetické pole znázoňujeme pomocí magnetických siloča. Na ozdíl od elektických siloča (začínají na kladném a končí na záponém náboji) jsou to magnetické siločáy uzavřené. Uvnitř magnetu pocházejí od jižního magnetického pólu k sevenímu magnetickému pólu. Poznámka: zeměpisné a magnetické póly Země jsou opačné- na sevením pólu je jižní magnetický pó.l Takzvaný magnetický smysl tedy schopnost zvířat vnímat magnetické pole Země se pokázal u ptáků, psů i yb. Zvířatům to pomáhá vyznat se v teénu, stejně jako když člověk hledá cestu, a natočí si mapu tak, aby měl seve nahoře. Oientace siloča pole kolem vodiče s poudem a tím i vektoů magnetické indukce a intenzity se učí pomocí Ampéova pavidla pavé uky.

2 V každém bodě popisuje magnetické pole vekto magnetické indukce (jednotka T tesla) a magnetické intenzity H (jednotka A.m -1 ). Jsou to lineáně závislé vektoy (mají stejný smě) a jsou tečnou k magnetické siločáře. Platí 0 H kde 0 je pemeabilita a chaakteizuje magnetické vlastnosti postředí kgm.. s. A je pemeabilita vakua, jeelativní pemeabilita Poznámka: Podobně pemitivita 0 chaakteizuje elektické vlastnosti postředí a elektická indukce je násobkem elektické intenzity D 0 E. Velikost magnetické indukce (magnetické intenzity) magnetického pole vodiče libovolného tvau 0 dl potékaného poudem se učí pomocí iott-savatova-laplaceova zákona d Ve vzdálenosti od přímého vodiče je magnetická 0 indukce 2 H 2 2. Ve středu kuhové smyčky poloměu je magnetická indukce 0, 2 H 2 3. Ve středu dlouhé válcové cívky délky l o N závitech magnetická indukce N 0. l N H l

3 Velikost magnetické indukce cívky je závislá na pemeabilitě postředí, kteým je tvořeno její jádo. Poto je magnetická indukce cívky navinuté na uzavřeném ocelovém jádře větší než magnetická indukce téže cívky bez jáda. Hodnota elativní pemeability je učena vlastnostmi atomů, z nichž je látka složena. Duhy magnetických látek Zjednodušený model vypadá takto: Elektony při svém oběhu kolem jáda atomu vytvářejí poudové smyčky. Kolem vznikají elementání magnetická pole, kteá se skládají a vytvářejí výsledné magnetické pole atomu. Podle uspořádání elektonů v atomu dělíme magnetické látky do tří skupin: Diamagnetické látky se skládají z diamagnetických atomů (mají nulový magnetický moment). Jejich elativní pemeabilita nepatně menší než 1 (μ <1). To znamená, že tyto látky míně zeslabují magnetické pole (patří sem inetní plyny, voda, zlato, měď, tuť, ). Diamagnetická látka se od magnetu odpuzuje. Paamagnetické látky jsou složeny z paamagnetických atomů (mají nenulový magnetický moment). Jejích elativní pemeabilita je nepatně větší než 1 (μ >1). Tyto látky míně zesilují magnetické pole (daslík, sodík, hliník, modá skalice, ). Atomy těchto látek mají vlastní magnetické pole. Vnějším magnetickým polem by tedy bylo možné je uspořádat tak, aby došlo k souhlasné oientaci magnetických polí jednotlivých atomů, a tím i ke značnému zesílení magnetického pole v látce. Ve skutečnosti tento stav nenastává - bání mu tepelný pohyb. Magnetické pole v paamagnetické látce není možné zesílit ani vnějším polem o velké magnetické indukci. Paamagnetická látka se k magnetu přitahuje a bude sama přitahovat dobné kovové předměty (kancelářské svoky, ) pouze v případě, že bude v blízkosti magnetu. Paamagnetickou látku není možné zmagnetovat tvale. Feomagnetické látky jsou složeny také z paamagnetických atomů, ale ty jsou v takovém uspořádání, že výazně zesilují magnetické pole. Jejich elativní pemeabilita je mnohem větší než 1 (μ» 1). Již slabým magnetickým polem lze u nich vyvolat takové uspořádání atomů, že se magnetické pole zesílí a dojde k magnetování látky. Magnetické pole ve feomagnetické látce zůstává, i když vnější pole zanikne. Příčinou magnetizace látky je působení tzv. výměnných sil mezi sousedními atomy. Jejich vlivem nastává i bez vnějšího magnetického pole souhlasné uspořádání

4 magnetických polí v malé oblasti látky (o objemu 10-3 mm 3-10 mm 3 ) zvané magnetické domény, kteé jsou oientovány nahodile. Působením vnějšího magnetického pole se tyto domény oientují souhlasně a látka získává vlastnosti magnetu. Při tomto ději se objem domén postupně zvětšuje, až při jejich souhlasném uspořádání doménová stuktua mizí - látka je magneticky nasycena. Feomagnetickou látku lze zmagnetovat tvale: např. přejedeme-li magnetem nůž nebo šoubovák, začne přitahovat dobné kovové předměty (kancelářské svoky, šoubky, ). Feomagnetická látka je tvořena týmž duhem atomů jako látka paamagnetická, liší se ale v jiném uspořádání atomů a tedy i v jiném vzájemném silovém působení. Počet feomagnetických látek není velký, přesto mají značný paktický význam: vyábějí se z nich jáda cívek v elektomagnetech, tansfomátoech, elektických stojích, Základní vlastnosti magnetických látek 1. Feomagnetismus se pojevuje jen tehdy, je-li látka v kystalickém stavu - v kapalném nebo plynném stavu se chovají jako látky paamagnetické. Feomagnetismus je tedy vlastností stuktuy, ne jednotlivých atomů. 2. Po každou feomagnetickou látku existuje učitá teplota (tzv. Cuieova teplota), při jejímž překočení látka ztácí feomagnetické vlastnosti a stává se látkou paamagnetickou. 3. Po překočení Cuieovy teploty (řádově stovky stupňů Celsia) je tepelný pohyb tak intenzivní, že se vzniklé magnetické domény ozpadají zpět na jednotlivé atomy. 4. Chcete-li tedy někomu zničit jeho magnet, vhoďte jej do ohně. Necháte-li jej chladnout bez přítomnosti magnetického pole, získáte kus nemagnetického mateiálu. Zahřejete-li jej ovšem znovu na Cuieovu teplotu a necháte-li jej poté chladnout v magnetickém poli, získáte opět magnet. 5. Vzniku domén totiž bání vnitřní tepelný pohyb částic. Poto se tyto domény snáze vytvoří v přítomnosti vnějšího magnetického pole. Před opětovným vytvořením magnetických domén je nutný ohřev na Cuieovu teplotu poto, aby se intenzivním tepelným pohybem ozpadly zbytky magnetických domén, kteé mohly ve stuktuře látky zůstat z předchozího magnetování. ez ohřevu na Cuieovu teplotu by bylo nutné použít velmi silné vnější magnetické pole. 6. Mezi látky feomagnetické patří také feimagnetické látky (feity) sloučeniny Fe 2 O 3 s oxidy jiných kovů (Mn, a, ). Mají mnohem větší elektický odpo než kovové feomagnetické látky, a poto nalezly šioké uplatnění v paxi (slabopoudá elektotechnika, pemanentní magnety, ).

5 2. Hysteezní smyčka Hysteezní křivka (smyčka) magnetického mateiálu je uzavřená křivka magnetování. Postupně zvyšujeme poud, kteý pochází cívkou. Tím se zvyšuje magnetická intenzita pole kolem cívky. Do cívky vložíme jádo a sledujeme, jak se mění magnetická indukce pole při opětovném zvyšování intenzity pole cívky. Matematicky lze zmíněný vztah mezi dvěma veličinami vyjádřit: = fce (H). Při snižování intenzity magnetického pole cívky klesá indukce. Na nulovou hodnotu ovšem klesne až při opačném směu poudu v cívce a tudíž při opačném směu magnetické intenzity cívky. Jinými slovy jde o gaf podávající infomaci o tom, jaký vliv má působení vnějšího magnetického pole na magnetické schopnosti mateiálu, kteý se v tomto poli nachází. Z gafu hysteezní smyčky odečítáme učité chaakteistické hodnoty, kteé podávají klíčové infomace o možnostech zkoumaného mateiálu. Jsou to maximální hodnoty a hodnoty, kde smyčka potíná osu x a y: H s - intenzita nasycení. Pokud zvýšíme intenzitu magnetického pole nad tuto hodnotu, magnetická indukce se již nezvýší, dochází k magnetickému nasycení mateiálu a gaf by od této chvíle pokačoval jako přímka ovnoběžná s osou x. s - maximální magnetická indukce při nasycení - emanentní (zbytková) indukce, kteá v mateiálu zůstává i po snížení intenzity magnetického pole na nulu (po tom, co mateiál přestaneme magnetovat) H c - koecitivní síla (koecivita). Je to magnetická intenzita pole potřebná k odmagnetování mateiálu (zušení ). Čím je koecitivita větší, tím je mateiál tzv. magneticky tvdší. (Haniční hodnotou mezi magneticky měkkým a tvdým mateiálem je 1 ka/m.) Na tva hysteezní smyčky má vliv především chemické složení a stav kystalové mřížky, související se způsoby technologického zpacování, jako např. válcováním za studena nebo za tepla, žíháním nebo kalením. Hysteezní smyčka se získá povedením jednoho tzv. cyklu magnetování, je po každý mateiál odlišná. Používá se mimo jiné také k učení hysteezních ztát v magnetickém obvodu. ntegací lze vypočítat plochu uzavřenou ve smyčce, kteá je těmto ztátám úměná. Hysteezní ztáty vznikají při přemagnetování mateiálu střídavým magnetickým polem.

6 3. Magnetický indukční tok Magnetický indukční tok (jednotka je Wb webe) je tok vektou magnetické indukce plochou S. Plocha je učená nomálovým vektoem n. Magnetický indukční tok (jednotka je Wb webe) je tok vektou magnetické indukce plochou S. Plocha je učená nomálovým vektoem. a) Jestliže je plocha postavena kolmo k vektou magnetické indukce, tj. nomálový vekto plochy je úhel a pak je magnetický indukční tok největší (skalání součin). b) Jestliže je plocha postavena ovnoběžně s vektoem magnetické indukce, tj. nomálový vekto plochy je úhel a pak je magnetický indukční tok nejmenší = nulovýí (skalání součin). Tyto závěy vyhovují funkci cosinus a použití skaláního součinu - tudíž obecně: S S cos

7 Výše uvedený vztah platí v případě, když je pole homogenní, tj. V případě nehomogenního pole je d d S konst. Souvislost magnetického indukčního toku a magnetického intenzitního toku platí d 0 d H PŘÍKLADY 1. Vypočtěte intenzitu magnetického pole uvnitř solenoidu délky l = 0,3 m, majícího N = závitů, potéká-li jím poud = 0,1 A. Předpokládáme, že délka solenoidu je mnohem větší než jeho půmě. H 666 A.m 1 2. Vypočtěte magnetický tok upostřed cívky o půřezu S 9.10 navinuto N=1 000 závitů a kteou potéká poud = 0,1 A Wb 4 m 2, délce l = 0,4 m, na níž je 3. Jaký polomě musí mít dlouhá cívka vinutá dátem o půměu d = 1,2 mm závit vedle závitu v jedné vstvě, aby při půtoku poudu = 2 A magnetický tok touto cívkou byl Wb? Předpokládáme homogenní magnetické pole uvnitř cívky. 2 2,13.10 m 4. Stanovte magnetický odpo litinového pstence o středním půměu d = 8,5 cm a půřezu 2 S 4,8 cm při magnetické indukci T. Psten je jádem tooidu majícího 10 závitů na 1 cm. Tooidem potéká poud = 5,3 A. R m 3, H 1 5. Odstaněním vzduchové mezey v magnetickém obvodu o půřezu S 6, m 2 se ušetřilo 850 ampézávitů, aniž se poušil magnetický tok vzduchová mezea? 3 l 1,39.10 m Wb. Jak šioká byla 6. Vedením v elektáně může při zkatu pocházet poud 10 4 A. Jakou silou působí v tomto případě na sebe dvě ovnoběžná vedení dlouhá l = 3 m a vzdálená od sebe a = 0,5 m? F 120 N