13. Pole magnetyczne i jego źródła

- jest przestrzenią, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki.

- jednorodne. Jednorodne pole magnetyczne występuje w długiej cewce o jednakowej, na całej długości cewki, liczbie zwojów przypadającej na jednostkę długości cewki. W jednorodnym polu magnetycznym ładunek porusza się po okręgu (bo siłą Lorentza jest prostopadła do pola magnetycznego i kierunku ruchu ładunku).

- wirowe wokół prostoliniowego przewodnika. Wartość natężenia pola magnetycznego jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w tym przewodniku i odwrotnie proporcjonalna do odległości od przewodnika. Pole magnetyczne wirowe jest to przestrzeń, której linie pola magnetycznego układają się we współśrodkowe okręgi. Indukcja magnetyczna takiego pola jest większa bliżej źródła.

14. Moment magnetyczny i spin

- Wszystkie materiały złożone są z atomów, których jądra składają się z neutronów oraz protonów. Jądra, które posiadają nieparzystą liczbę protonów i/lub neutronów posiadają również spin oraz magnetyczny moment dipolowy. Moment magnetyczny jest wektorem, którego długość jest proporcjonalna do prądu w zamkniętym obwodzie. Moment magnetyczny atomu jest sumą trzech składników:

-pole magnetyczne powstałe na skutek ruchu elektronu wokół jądra atomu (elektron poruszający się po orbicie dookoła jądra tworzy maleńki obwód z prądem)

-moment magnetyczny powstający w wyniku ruchu elektronu dookoła własnej osi, czyli spinu(!);

-moment magnetyczny wytwarzany przez ruch jądra dookoła własnej osi

W atomach mających wiele elektronów, całkowity moment magnetyczny pochodzący od ruchu elektronów po orbicie jest sumą ich momentów składowych

-Moment magnetyczny w polu magnetycznym doznaje działania momentu sił, które próbują podporządkować go zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. W przypadku paramagnetyków momenty magnetyczne atomów porządkują się zgodnie z porządkującym polem magnetycznym, natomiast u diamagnetyków momenty magnetyczne porządkują się przeciwnie do kierunku pola magnetycznego, zostaje wypychany z pola.

-W atomach elektrony krążące po orbicie posiadają orbitalny moment pędu. Jednocześnie posiadają przeciwnie skierowany moment magnetyczny (związany z ruchem naładowanego elektronu, a więc jakby elementarnego prądu). Obydwa wektory są prostopadłe do płaszczyzny orbity, po której krąży elektron

- Spin jest to własny moment pędu danej cząstki w układzie w którym cząstka spoczywa. Własny oznacza tu taki, który nie wynika z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki. Ruch elektronu dookoła własnej osi. Spin elektronu na określonej podpowłoce może mieć 2 różne położenia (ten sam kierunek ale zwroty przeciwne do siebie), spinowa liczba kwantowa może mieć jedynie wartość + lub - ½.

- Cząstki mające spin i ładunek elektryczny różny od zera generują wokół siebie słabe pole magnetyczne (moment magnetyczny).

15 Indukcja elektromagnetyczna

- zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego lub ruchu przewodnika w polu magnetycznym. Zmiana strumienia pola magnetycznego może być wywołana:

- ruchem obwodu w statycznym polu magnetycznym

- ruchem źródła magnetycznego

- zmiennym polem magnetycznym

Indukowany prąd płynie w taki sposób aby przeciwdziałać czynnikom, które go wywołały.

- Siła elektromotoryczna (SEM) to energia elektryczna jaką uzyskuje jednostkowy ładunek elektryczny w źródle prądu elektrycznego. Siła elektromotoryczna mierzona jest w voltach. Powszechnym sposobem generowania SEM są reakcje chemiczne (np. ogniwo paliwowe). Innym przykładem jest powstanie SEM na styku dwóch różnych metali (potencjał kontaktowy). Absorpcja energii promieniowania, lub energii cieplnej także może stanowić źródło SEM (termopara, fotoogniwo, fotodioda)

Indukcja elektromagnetyczna oznacza przekształcenie energii mechanicznej w elektryczną. SEM generowana w ten sposób nazywana jest siłą elektromotoryczną rotacji - w odróżnieniu od siły elektromotorycznej transformacji, powstającej w wyniku zmiany natężenia nieruchomego pola magnetycznego w rdzeniu cewk

- Pole elektrostatyczne jest polem zachowawczym. Natomiast wyidukowane pole elektryczne jest nie zachowawcze. Podobnie jak zmienne pole magnetyczne generuje pole elektryczne, tak zmienne pole elektryczne generuje pole magnetyczne.

- Zastosowanie indukcji elektromagnetycznej : generatory prądu elektrycznego (….prądnic, alternatorów, generatorów w elektrowniach?), transformatory, piece indukcyjne (prąd wirowy) Wytwarzanie energii elektrycznej odbywa się w prądnicach w wyniku ruchu przewodnika względem pola magnetycznego czyli indukcji elektromagnetycznej.

16. POLE MAGNETYCZNE ZIEMII

- Odpowiada w przybliżeniu polu dipola magnetycznego z jednym biegunem magnetycznym w pobliżu geograficznego bieguna północnego i z drugim biegunem magnetycznym w pobliżu bieguna południowego. Dipol magnetyczny jest układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy np. magnes, solenoid, pętla z prądem. Moment magnetyczny Ziemi wynosi 8 *10 ²² J/T. Różnica pomiędzy północą geograficzną a magnetyczną to deklinacja.

-Źródłem pola magnetycznego Ziemi są prądy elektryczne płynące w metalicznym (przewodzącym) jądrze Ziemi. Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które płyną w stopionym jądrze naszej planety. Ziemia może wytwarzać własne pole magnetyczne, gdy spełnione są trzy podstawowe warunki. Pierwszym jest obecność wewnątrz dużej ilości płynnego przewodnika, którym jest w przypadku Ziemi płynne żelazo znajdujące się w płaszczu zewnętrznym. Drugim jest zapewnienie dopływu energii niezbędnej do wprawienia płynu w ruch. Źródłem energii dymana ziemskiego są ciepło i reakcje chemiczne oraz krystalizacja żelaza na granicy jądra wewnętrznego. Powoduje to powstawanie prądów konwekcyjnych. W pobliżu jądra wewnętrznego temperatura jest znacznie wyższa niż wyżej i ciepłe warstwy wędrują ku górze. Gdy gorący strumień dociera do do granicy z płaszczem, oddaje mu część ciepła. Schłodzone żelazo staje się gęstsze od otoczenia i spływa z powrotem. Trzecim czynnikiem jest rotacja w wyniku ruchu obrotowego Ziemi. Na płynne żelazo działa wtedy siła Coriolisa, która powoduje ruch wirowy strug płynnego żelaza i torem jest krzywa spiralna. Nieustanne istnienie pola magnetycznego Ziemi jest więc przede wszystkim zasługą istnienia płynnego, metalicznego żelaza, zasobów energii wystarczających do podtrzymania konwekcji oraz siły Coriolisa. Wytłumaczeniem na pochodzenie pola magnetycznego Ziemi może być geodynamo: Jądro Ziemi jest naturalnym generatorem prądu, bazującym na zasadzie indukcji elektomagnetycznej. Przepływ przewodzącej cieczy jądra w polu magnetycznym indukuje przepływ prądu w tej cieczy. Wygenerowany prąd podtrzymuje pole magnetyczne Ziemi.

- inwersje pola magnetycznego -> przebiegunowanie, czyli zamiana bieguna północnego z południowym. Z namagnesowania starych skał i minerałów można odczytać, jak zmieniało się, jaki miało kierunek i natężenie pole magnetyczne na przestrzeni wieków, bowiem podczas szybkiego stygnięcia lawy kryształy tak jak igły magnetyczne, układają się zgodnie z kierunkiem ziemskiego pola magnetycznego. W momencie krzepnięcia niektórych skał, a dla innych substancji w momencie zmiany fazy na ferromagnetyczną utrwala się pole magnetyczne, które później praktycznie nie zmienia się. Ostania zmiana biegunów wystąpiła ok. 780 tys. Lat temu (Olduvai)

-zorze polarne, ich powstawanie związane jest ze zjawiskami elektrycznymi zachodzącymi w jonosferze. Słońce emituje wysokoenergetyczne, pędzące z dużą prędkością elektrony i protony wchodzące w skład wiatru słonecznego (podczas burz słonecznych szczególnie intensywnie), które zostają odchylone przez ziemskie pole magnetyczne i poruszają się po liniach śrubowych niemalże wzdłuż linii pola magnetycznego.

Wiatr słoneczny deformuje pole magnetyczne Ziemi, w okresach dużej aktywności Słońca szybkie zmiany pola magnetycznego mogą wywołać zorze nawet na średnich szerokościach geograficznych.

17. Magnetyzm materii: paramagnetyzm, diamagnetyzm, ferromagnetyzm

- Paramagnetyzm - zjawisko polegające na porządkowaniu się większości spinów elektronów ciała zgodnie z liniami zewnętrznego pola magnetycznego. Właściwości paramagnetyczne posiadają substancje o niesparowanych elektronach. Substancja taka, tzw. paramagnetyk jest przyciągana przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. Przykłady tlen, aluminium, platyna.

Diamagnetyzm - Zewnętrzne pole indukuje w takim układzie prąd elektryczny, który powoduje powstanie w diamagnetyku pola magnetycznego, skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego. Diamagnetyki samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych. Diamagnetyk jest odpychany przez magnes. Do diamagnetyków zalicza się: gazy szlachetne, prawie wszystkie metale, wodę, fosfor

- Ferromagnetyzm jest zjawiskiem, w którym materia wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Przykłady żelazo, kobalt, nikiel. Ferromagnetyki występują gdy ich temp. jest niższa od temp. krytycznej Tc, zwanej temp. Curie (punkt Curie) - powyżej temp. Curie ferromagnetyki stają się paramagnetykami. Namagnesowanie ferromagnetyków jako całości uzyskuje się za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, porządkującego kierunki magnesowania domen. Magnes trwały to ferromagnetyk po uporządkowaniu domen magnetycznych.

Antyferromagnetyzm - magnetyczna struktura materiału polegająca na antyrównoległym uporządkowaniu elementarnych momentów magnetycznych. Typowym przykładem antyferromagnetyzmu jest mangan. Antyferomagnetyzm występuje również w płaszczyznach CuO

- W atomach które posiadają zapełnione powłoki elektronowe całkowity moment dipolowy wszystkich elektronów wynosi zero. Jedynie atomy z częściowo zapełnioną powłoką (niesparowanymi spinami) posiadają wypadkowy moment magnetyczny różny od zera. Dipole te ustawiają się równolegle do linii zewnętrznego pola, ale z ustawienia tego wytrącane są przez drgania termiczne. W takich materiałach wytwarza się wewnętrzne pole magnetyczne skierowane zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym. Materiały te to paramagnetyki (substancje o przeciwnych własnościach to diamagnetyki).

---