Magnetyzm - projekt.doc

Magnetyzm

Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne takie jak magnes. Magnesy dzielimy na trwałe: proszkowe, tlenkowe oraz elektromagnesy-magnesy nadprzewodnikowe.

Magnesy trwałe np. sztabki wycięte z rudy magnetycznej Fe3O4, przyciągają opiłki żelaza, niklu czy kobaltu. Miejsca którymi magnes przyciąga najsilniej nazwano jego biegunami; znajdują się one w pobliżu końców magnesu. 

Czym jest pole magnetyczne? Pole magnetyczne w fizyce jest stanem (własnością) przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu.

Pole magnetyczne jest obok pola elektrycznego przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od opisu (obserwatora), to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu. Pole magnetyczne jest wektorem, co oznacza, że ma wielkość i kierunek. Pole magnetyczne zapisujemy jako i nazywamy indukcją magnetyczną pola.

Jednostką indukcji B pola magnetycznego jest Tesla 1T=1N/1C x (1m/1s)

Kierunek pola magnetycznego w dowolnym punkcie jest definiowany jako kierunek ruchu naładowanej cząstki w którym siła FB jest proporcjonalna do iloczynu vsinφ. Siła FB działająca na cząstkę nosi nazwę siły Lorenza i jest równa ładunkowi cząstki pomnożonemu przez iloczyn wektorowy jej prędkości i indukcji magnetycznej B. 

Kierunek siły Lorentza wyznacza reguła prawej dłoni – jeżeli ładunek q jest dodatni, to kierunek siły FB jest zgodny z kierunkiem  .

Siła Lorentza w ogólnym przypadku - na cząstkę o ładunku q poruszającą się w jakimś układzie współrzędnych w polach elektrycznym i magnetycznym działa siła:

Pola magnetyczne i elektryczne:

Zjawisko Halla – w przewodniku z prądem umieszczonym w polu magnetycznym powstaje poprzeczne napięcie elektryczne. Efekt Halla umożliwia pomiar znaku ładunków poruszających się w przewodniku, i ich koncentrację. Dla znanych materiałów pomiar napięcia Halla pozwala określić wartość indukcji pola magnetycznego, a przyrządy wykorzystujące jego działanie to hallotrony).

Cyklotron - najprostsza i pierwsza historycznie forma akceleratora cyklicznego cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. W akceleratorach cyklicznych w tym i w cyklotronie przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych przebiegając wielokrotnie przez obszar, w którym są przyspieszane.

Zasada działania. Cyklotron składa się z elektromagnesu wytwarzającego pole magnetyczne i komory próżniowej, w której umieszczono dwie półkoliste elektrody zwane duantami. Między elektrodami wytwarzane jest za pomocą generatora wielkiej częstotliwości zmienne pole elektryczne. W centrum cyklotronu znajduje się źródło cząstek (cząsteczek) naładowanych elektrycznie lub cząsteczki te są wprowadzane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość generatora jest równa częstotliwości obiegu cząstek, to cząstki są przyspieszane podczas przelotu między duantami. Cząstki o innym czasie przelotu są okresowo przyspieszane i hamowane i w końcu uderzają w duanty. Cząsteczki o większej energii poruszają się po większym promieniu, gdy promień cząstki jest odpowiednio duży może ona opuścić akcelerator, pomocna w tym może być dodatkowa elektroda kierująca cząsteczki w odpowiednim kierunku.

Na cząstkę poruszającą się prostopadle do pola magnetycznego działa siła prostopadła do prędkości i pola magnetycznego, siła ta pełni rolę siły dośrodkowej:

Gdzie m to masa cząstki, q jej ładunek, v prędkość, r to promień toru ruchu, B indukcja pola magnetycznego.

Przekształcając,

v/r odpowiada prędkości kątowej, ω, dlatego

Co odpowiada częstotliwości

Ze wzoru tego wynika, że częstotliwość rezonansowa nie zależy od prędkości cząstek, ale przy stałym polu magnetycznym zależy od stosunku ładunku do masy cząstki. Własność ta sprawia, że cyklotron przyspiesza tylko jeden rodzaj cząstek, co może być ich wadą ale też zaletą.

Silnik elektryczny - zamiana jednego rodzaju energii na inny interesowała ludzi już od bardzo dawna. Wraz z odkryciem elektryczności powstała myśl jak zamienić energię prądu elektrycznego na energię mechaniczną. Stało się to możliwe dzięki zaobserwowaniu istnienia siły elektromotorycznej, którą wykorzystano do budowy silnika elektrycznego. Problem, w budowie silnika, polegał na tym aby znaleźć sposób zamiany krótkotrwałego ruchu przewodnika "z prądem" w polu magnetycznym na ciągły ruch obrotowy.
Powstanie silnika elektrycznego zapoczątkowały doświadczenia Michaela Faradaya, któremu udało się skonstruować urządzenie zamieniające elektryczność w ciągły ruch mechaniczny. Jego doświadczenie zwane: "obroty elektryczne" polegało na zanurzeniu jednego końca drutu w rtęci wypełniającej naczynie. Pośrodku naczynia umieścił magnes sztabkowy. Podłączając baterię do góry przewodu i rtęci w naczyniu wprawił drut w ruch obrotowy wokół magnesu.
Zasada działania silnika elektrycznego jest następująca: wirnik obraca się dzięki temu, że uzwojenia przewodzące prąd umieszczone są w polu magnetycznym. Elektromagnes (stojan) wytwarza pole magnetyczne. Prąd podawany jest na uzwojenia wirnika. Pola magnetyczne uzwojenia i stojana oddziałują na siebie, powodując nieznaczny obrót wirnika. Prąd podawany jest wówczas na następne uzwojenie; cały proces przebiega bardzo szybko i silnik obraca się.

Prawo Biota – Savarta określa wielkość i kierunek wektora indukcji magnetycznej B w dowolnym punkcie pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd elektryczny I. Wartość liczbowa indukcji, wytworzonej przez nieskończenie mały element przewodnika dl, jest wprost proporcjonalna do długości elementu przewodnika, natężenia prądu w nim płynącego I oraz sinusa kąta a utworzonego przez kierunki elementu przewodnika i wektora łaczącego element z punktem pomiarowym,a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r od punktu pomiarowego do środka elementu przewodnika z prądem
 

Prawo Ampère'a prawo wiążące indukcję magnetyczną wokół przewodnika z prądem, z natężeniem prądu elektrycznego przepływającego w tym przewodniku. We współczesnej postaci prawo to brzmi:
Wartość całki okrężnej wektora natężenia pola magnetycznego, wytworzonego przez stały prąd elektryczny w przewodniku wzdłuż linii zamkniętej otaczającej prąd, jest równa sumie algebraicznej natężeń prądów przepływających (strumieniowi gęstości prądu) przez dowolną powierzchnię objętą przez tę linię.

Co dla próżni można wyrazić wzorem:

gdzie:

Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya - prawo oparte na doświadczeniach Faradaya z 1831 roku. Wyraża relację pomiędzy zmianą wartości strumienia magnetycznego przechodzącego przez obszar objęty przez zamkniętą pętlę i pola elektrycznego wyindukowanego na tej pętli:

Może też być wyrażone w postaci:

gdzie:

V - siła elektromotoryczna powstająca w pętli,

E - natężene wyindukowanego pola elektrycznego,

l – pętla,

dl - nieskończenie mały odcinek pętli,

ΦB - strumień indukcji magnetycznej,

dt - nieskończenie mały odcinek czasu,

s - powierzchnia zamknięta pętlą l,

     - szybkość zmiany strumienia indukcji magnetycznej,

B - indukcja magnetyczna.

Diamagnetyzm - zjawisko polegające na indukcji w ciele, znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola.

Diamagnetyzm występuje przeważnie w związkach chemicznych posiadających wiązania wielokrotne lub układ aromatyczny. Zewnętrzne pole indukuje w takim układzie prąd elektryczny, który powoduje powstanie pola magnetycznego, skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego.

Diamagnetyki samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych i są odpychane przez magnes. Umieszczenie diamagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola magnetycznego skierowanego przeciwnie. Dla tych ciał względna przenikalność magnetyczna μ ośrodka jest nieco mniejsza od jedności (diamagnetyki nieznacznie osłabiają pole magnetyczne). Do diamagnetyków zalicza się: gazy szlachetne, prawie wszystkie metale i metaloidy nie wykazujące własności para- lub ferromagnetycznych (np.: bizmut, krzem, cynk, magnez, złoto, miedź) a także fosfor, grafit, woda oraz wiele związków chemicznych. Diamagetyczne są też DNA i wiele białek.

Paramagnetyzm - zjawisko magnesowania się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk, jest on przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową wielkość namagnesowania od pola zewnętrznego

Przykłady paramagnetyków:

·     tlen O2

·     aluminium

·     platyna Pt

·     tlenek azotu (II) NO

Ferromagnetyzm – zjawisko, w którym materia wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań spotykanych w życiu codziennym. Razem z ferrimagnetyzmem jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych (jak i zauważalnego przyciągania innych ferromagnetycznych metali przez magnesy trwałe).