FIZYKALNE PODSTAWY
MAGNETYZMU
FIZYKALNE PODSTAWY
MAGNETYZMU
Nazwą magnetyzm określa się zespół
zjawisk fizycznych związanych z polem
magnetycznym, które może być
wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny
jak i przez materiały magnetyczne.
MAGNETYZM
W skali makroskopowej
Siły magnetyczne są jednymi z podstawowych sił w naturze.
Oddziaływania magnetyczne odbywają się za pośrednictwem pola
magnetycznego, które w skali makroskopowej wytwarzane jest na
skutek ruchu ładunków elektrycznych lub prądu elektrycznego.
Stały prąd elektryczny wywołuje statyczne pole magnetyczne,
natomiast zmienny prąd elektryczny powoduje powstanie
nierozerwalnie związanego z nim zmiennego pola magnetycznego
(takie podwójne pole nosi nazwę pola elektromagnetycznego)
Magnetyzm makroskopowy jest przyczyną istnienia ziemskiego
pola magnetycznego. We wnętrzu Ziemi istnieje roztopione jądro,
w którym występują prądy konwekcyjne. Prądy takie unoszą ze
sobą olbrzymie ilości wolnych elektronów, które są równoważne z
prądem elektrycznym, który z kolei (jak opisano powyżej) skutkuje
powstaniem otaczającego pola magnetycznego.
Podstawy fizyczne magnetyzmu
W skali mikroskopowej pole magnetyczne powstaje głównie na
skutek ruchu elektronów: orbitalnego oraz obrotowego (tzw. spin),
przy czym ten ostatni jest efektem dominującym. Ruch orbitalny
elektronu (dookoła jądra atomowego) jest efektem wtórnym i tylko
nieznacznie modyfikuje spinowe pole magnetyczne. W niewielkim
stopniu pole magnetyczne wytwarzane jest również przez moment
magnetyczny protonów i neutronów.
Wypadkowy moment magnetyczny atomu jest sumą wszystkich
momentów magnetycznych elektronów (a także w bardzo
niewielkim, zazwyczaj pomijanym stopniu również i protonów i
neutronów). Z uwagi na dążenie w przyrodzie do minimalnego
stanu energetycznego pojedyncze momenty magnetyczne
elektronów mają tendencję do ustawiania się w przeciwnych
kierunkach, czym powodują znoszenie udziału magnetycznego
takich sparowanych elektronów. Dlatego też, dla atomu z
całkowicie wypełnionymi powłokami i podpowłokami elektronowymi
wewnętrzne magnetyczne momenty znoszą się całkowicie. Tylko
atomy z częściowo wypełnionymi powłokami elektronowymi
posiadają wypadkowy moment magnetyczny, którego wartość
zależy głównie od ilości niesparowanych elektronów.
W skali mikroskopowej
Wszystkie znane pierwiastki, związki chemiczne i
materiały mogą zostać sklasyfikowane na podstawie ich
własności magnetycznych. Co więcej, każdy pierwiastek
chemiczny wykazuje jeden z czterech podstawowych
typów magnetyzmu: diamagnetyzm, paramagnetyzm,
ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm.
Największe znaczenie praktyczne mają ferromagnetyki,
które można podzielić na materiały magnetycznie twarde
(używane jako magnesy trwałe), miękkie (magnetyczne
rdzenie transformatorów i silników) oraz półtwarde
(magnetyczne nośniki analogowych i cyfrowych danych).
Materiały magnetyczne
o Istnieje kilka podstawowych typów materiałów magnetycznych:
-diamagnetyki
-paramagnetyki
-ferromagnetyki
-ferrimagnetyki
-antyferromagnetyki
Własności magnetyczne pierwiastków przedstawione w postaci układu okresowego
pierwiastków
Materiały diamagnetyczne- magnetyzują się w bardzo słabym stopniu i w
kierunku przeciwnym do kierunku działania zewnetrznego pola
magnetycznego. Przykładem materiałów są: gazy szlachetne, miedź , cynk,
srebro, złoto , ołów, siarka.
Materiały paramagnetyczne- magnetyzują się również w niewielkim
stopniu, lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego
pola magnetycznego. Ten rodzaj magnetyzmu jest na ogół proporcjonalny
do zewnetrznego pola magnetycznego i odwrotnie proporcjonalny do
temperatury bezwzględnej .Typowymi przykładami są: metale alkaliczne,
platyna, magnez, aluminium, cyna.
Materiały ferromagnetyczne – magnetyzuja się w bardzo silnym stopniu i w
kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola
magnetycznego oraz wykazują przy okresowej zmianie kierunku pola
własności histerezy. Przykładami takich materiałow są:
Żelazo, nikiel i kobalt.
Antyferromagnetyki nie są tak znane jak ferromagnetyki, chociaż wiele
substancji ma sieć momentów magnetycznych tego typu. Przykładem jest
tlenek żelazawy FeO i tlenek niklu NiO.
Magnesy trwałe
Już w starożytności znana była właściwość jednego z rodzajów rudy żelaza
(magnetytu), polegająca na przyciąganiu kawałków stali. Zjawisko to nazwano
magnetyzmem, a ciało mające opisane właściwości (np. namagnesowany kawałek
stali) magnesem trwałym.
MAGNETYZM
Magnesy trwałe zawsze występują w postaci diopoli (dwubiegunowe).
Podział magnesu nie prowadzi do rozdzielenia biegunów.
Przestrzeń, w której działają siły magnetyczne nazywamy polem magnetycznym.
Przyjmuje się, że zwrot linii pola magnetycznego jest ustawiony od bieguna północneg N
do bieguna południowego S.
Jeśli w pobliżu magnesu w różnych punktach będziemy umieszczać igłę magnetyczną jej ustawienie
będzie ulegało zmianie. Oznacza to, że w przestrzeni otaczającej magnes na igłę działa siła.
Właściwość przestrzeni polegającą na tym, że znajdujące się w niej magnesy działają siły,
nazywamy polem magnetycznym, zaś działające siły –siłami magnetycznymi. Tak więc magnesy
są żródłami pola magnetycznego, w którym na inne ciała namagnesowane działają siły magnetyczne.
Doświadczenie
Z położenia tych odcinków otrzymujemy linie pola magnetycznego.
Kierunek, wzdłuż którego ustawi się igła magnetyczna w danym punkcie
nazywamy linią pola magnetycznego.
Pole magnetyczne— stan (własność) przestrzeni, w której siły działają na
poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny
niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem
pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się
obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego,
magnetycznego lub obu.
Własności pola magnetycznego
Pole magnetyczne jest polem wektorowym. Wielkościami fizycznymi używanymi do
opisu pola magnetycznego są: indukcja magnetyczna B oraz natężenie pola
magnetycznego H. Między tymi wielkościami zachodzi związek
B=µH
gdzie μ – przenikalność magnetyczna ośrodka
.
Obrazowo pole magnetyczne przedstawia się jako linie pola magnetycznego. Kierunek
pola określa ustawienie igły magnetycznej lub obwodu, w którym płynie prąd
elektryczny.
Pole magnetyczne kołowe jest to pole, którego linie układają się we współśrodkowe
okręgi. Pole takie jest wytwarzane przez nieskończenie długi prostoliniowy przewodnik.
Indukcja magnetyczna takiego pola maleje odwrotnie proporcjonalnie do odległości od
przewodnika.
Podobnie jak w polu elektrycznym pole magnetyczne definiuje się przez siłę, jaka
działa na poruszający się ładunek w tym polu. W układzie SI siła ta wyraża się wzorem:
F=qv × B
F- siła działająca na ładunek
×- symbol iloczynu wektorowego v- prędkość ładunku
q – ładunek elektryczny B- wektor indukcji magnetycznej
Stałe pole magnetyczne jest wywoływane przez ładunki elektryczne znajdujące się w
ruchu jednostajnym. Dlatego też, przepływ prądu (który też jest ruchem ładunków
elektrycznych) wytwarza pole magnetyczne. Ładunki poruszające się ruchem
zmiennym (np. hamowane) powodują powstawanie zmiennego pola magnetycznego,
które rozchodzi się jako fala elektromagnetyczna. Powstawanie pola magnetycznego
na skutek przepływu prądu elektrycznego i innych ruchów ładunków elektrycznych
opisuje prawo Biota-Savarta, oraz prawo Ampera, które w postaci uogólnionej
wchodzą w skład równań Maxwella.
Niektóre materiały magnetyczne, jak np. ferromagnetyki, wytwarzają stałe pole
magnetyczne. Jest to spowodowane superpozycją orbitalnych momentów
magnetycznych elektronów (w półklasycznym modelu Bohra przez orbitalny ruch
obdarzonych ładunkiem elektrycznym elektronów wokół jądra).
Pole magnetyczne jest też wytwarzane przez zmienne pole elektryczne. Z kolei
zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Takie wzajemnie indukowanie
się pól zachodzi w fali elektromagnetycznej. Stałe w czasie pole magnetyczne nie
wytwarza pola elektrycznego - wynika to wprost z równań Maxwella.
Pole magnetyczne jest bezźródłowe, co wyraża Prawo Gaussa dla magnetyzmu.
Wynika z niego, że linie pola magnetycznego tworzą zamknięte krzywe, nie zaczynają
się, ani się nie kończą, inaczej niż w polu elektrycznym, gdzie linie pola mogą
wychodzić bądź zbiegać się w ładunkach.
Źródła pola magnetycznego
Linie pola mają kształt współśrodkowych okręgów, których środek jest
zgodny ze środkiem przewodnika. Zwrot linii pola można określić za
pomocą "reguły korkociągu" lub "reguły śruby prawoskrętnej".
Pole magnetyczne
przewodnika
z prądem.
Pole magnetyczne pętli kołowej z prądem
.
Pole magnetyczne zwojnicy z prądem (selenoidu).
Właściwość przestrzeni wokół przewodnika z prądem elektrycznym,
w której na inne przewodniki z prądem lub swobodnie
poruszające się ładunki elektryczne
działają siły magnetyczne, nazywamy polem magnetycznym.
Indukcja magnetyczna
Do charakteryzowania pola posługujemy się pojęciem indukcji
magnetycznej.
Indukcja magnetyczna jest to stosunek siły, jaka działa w polu na element
przewodnika o długości l, do natężenia prądu w tym przewodniku i do jego
długości.
Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla T
1 T = N / A * m
Indukcja magnetyczna jest wielkością wektorową. Kierunek tego wektora
jest styczny do linii pola magnetycznego, a zwrot można wyznaczyć za
pomocą "reguły prawej dłoni".
Jeśli chwycimy przewodnik prawą reką tak, że kciuk wskazuje kierunek
przepływu prądu, to pozostałe palce wskażą nam zwrot wektora indukcji
magnetycznej.
Oddziaływanie elektromagnetyczne to jedno z czterech znanych fizyce
oddziaływań elementarnych. Jego odkrywcą był Duńczyk Hans Christian
Ørsted.
Teoria oddziaływań elektromagnetycznych (elektrodynamika klasyczna,
elektrodynamika kwantowa) powstała z unifikacji teorii magnetyzmu i
elektryczności, dokonanej przez Jamesa Clerka Maxwella. Centralną rolę w
tej teorii odgrywa pojęcie pola elektromagnetycznego. Zachowanie pola
elektromagnetycznego opisane jest równaniami Maxwella, zgodnymi
(pomimo że powstały wcześniej) ze szczególną teorią względności.
W myśl równań Maxwella stacjonarne pole elektromagnetyczne pozostaje
związane ze swoim źródłem, np. naładowaną cząstką lub przewodnikiem,
przez który przepływa prąd. Zmienne pole elektromagnetyczne, natomiast,
rozprzestrzenia się w postaci fali elektromagnetycznej. Kwantem
oddziaływania elektromagnetycznego jest foton. Oddziaływanie
elektromagnetyczne polega na wymianie między cząstkami naładowanymi
(o ładunku elektrycznym) pośredniczącego fotonu.
Oddziaływanie elektromagnetyczne
Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi.
Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna geograficznego południowego, a
magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu bieguna geograficznego północnego.
Własności magnetyczne Ziemi wynikają z jej wewnętrznej budowy. Ziemia składa się z czterech
podstawowych warstw: stałego jądra wewnętrznego z niemal czystego żelaza, z płynnego
płaszcza zewnętrznego również składającego się głównie z żelaza, skalistego płaszcza i cienkiej
skorupy obejmującej kontynenty i dna oceanów. Łączny ciężar płaszcza i skorupy wytwarza w
jądrze ciśnienie średnio dwa miliony razy większe od tego jakie panuje na powierzchni planety.
Temperatura jądra wynosi około 5000°C i wytworzyła się podczas formowania Ziemi na skutek
kurczenia się materii. Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prądy, które płyną w stopionym
jądrze naszej planety.
Pole magnetyczne Ziemi
Warstwy wewnętrzne Ziemi
Zmiana rozkładu ziemskiego pola magnetycznego,
od roku 1980 anomalii przybyło, a istniejące się
powiększyły
Fizycy ustalili, że planeta 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 dynama 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. Nieustanne istnienie pola magnetycznego
Ziemi (geodynama) jest więc przede wszystkim zasługą istnienia płynnego,
metalicznego żelaza, zasobów energii wystarczających do podtrzymania konwekcji
oraz siły Coriolisa. Jest to tylko niestety uproszczenie. Pole magnetyczne jako całość
podobne jest do pola magnesu sztabkowego, ale ruch wirowy powoduje, że w wielu
miejscach powstają obszary o przeciwnej biegunowości zwane anomaliami
magnetycznymi.
Komputerowa symulacja pola magnetycznego
Ziemi na 500 lat przed zmianą biegunów
Zorze polarne ,
powstają na skutek burz magnetycznych na
Słońcu. Powstają wtedy silne rozbłyski i z powierzchni Słońca wyrzucane są
ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie protonów i elektronów) o
wysokiej energii. Tworzą one tak zwany wiatr słoneczny, który stanowi
przedłużenie atmosfery słonecznej, Wiatr słoneczny sięga aż do skrajów
Układu Słonecznego. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w pobliże Ziemi,
oddziaływuje z polem magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony
poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii ziemskiego pola
magnetycznego i w końcu zderzają się w pobliżu biegunów magnetycznych
z cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które wracając do stanu
podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła.
Jak powstają zorze polarne
Zniekształcone pola magnetyczne Ziemi (magnetosfera) przez wiatr słoneczny,
białe obszary to uwięzione elektrony i protony czyli pasy van Allena
Zorza pojawia się w postaci kolorowych łuków, promieni, pasm, serpentyn i
draperii. Naukowcy wciąż jednak nie rozumieją, w jaki sposób zorza
przyjmuje obłe kształty albo dlaczego jej kurtyna bywa pofałdowana jak
wstążka na wietrze. Dlaczego wreszcie nie jest jednolitą ścianą światła,
lecz często składa się z osobnych pasm, jakby tworzyły ją wiązki światła z
równolegle ustawionych reflektorów. Jest kilka hipotez wyjaśnienia tych
faktów. Może jakieś pola elektryczne w ziemskiej atmosferze muszą tak
przyspieszać elektrony, że skupiają się one w wiązki. Niektórzy z badaczy
sądzą, że jest to wynik stałych napięć elektrycznych, które tworzą się
pomiędzy różnymi warstwami atmosfery.
W medycynie fizykalnej stosuje się urządzenia do wytwarzania leczniczego
pola magnetycznego.
MAGNETOTERAPIA - jest przeznaczona do terapii pulsującym polem
magnetycznym małej częstotliwości. Pulsujące pole magnetyczne przenika
przez wszystkie części ciała ludzkiego równomiernie.
Zastosowanie magnetyzmu w życiu codziennym
Kolej magnetyczna
Kolej magnetyczna (zwana czasem Maglev od ang. magnetic levitation –
lewitacja magnetyczna) – kolej, w której tradycyjne torowisko zostało
zastąpione przez układ elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu kolej
ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru, gdyż cały czas unosi się nad nim.
Do realizacji tego zadania wykorzystuje się elektromagnesy wykonane z
nadprzewodników (w Japonii) lub konwencjonalne (w Niemczech). Mogą
przez to rozwijać duże prędkości. Dzięki zastosowaniu magnesów
eliminowane jest tarcie kół, które w tradycyjnych pociągach znacznie
ogranicza maksymalną prędkość jazdy. Dzięki temu maglevy zbliżają się do
600 km/h (rekord świata w prędkości magleva należy do japońskiej jego
wersji, został osiągnięty 2 XII 2003 i wynosi 581 km/h, jest o 6 km/h większy
od rekordu TGV). Istnieją linie kolei magnetycznej w Japonii, Niemczech i
Chinach.
Od 2003 istnieje w Szanghaju najdłuższa na świecie trasa kolei
magnetycznej Transrapid zbudowana przez niemiecką firmę Transrapid
International. Długość trasy wynosi około 30 km, pokonywana jest w 7
minut i 20 sekund. Pociąg rozwija maksymalną prędkość 431 km/h.
