Pole magnetyczne

Pole magnetyczne to przestrzeń, w której występują siły magnetyczne. Jest wywoływane przez magnesy lub przewodniki z prądem, a także istnieje wokół Ziemi.

Definition: Linie pola magnetycznego to umowne linie obrazujące kierunek i natężenie pola magnetycznego.

Charakterystyczne cechy pola magnetycznego:

• Po podzieleniu magnesu otrzymujemy dwa magnesy, każdy z dwoma biegunami
• Linie pola magnetycznego są zamknięte, przebiegając wewnątrz magnesu
• Zgodnie z umową, linie wychodzą z bieguna północnego $N$ i wchodzą do bieguna południowego $S$
• Przebieg linii można określić przy pomocy igły magnetycznej

Example: Rozsypując opiłki żelaza wokół magnesu, można zaobserwować układ linii pola magnetycznego.

Ziemia jako magnes

Kula ziemska jest sama w sobie wielkim magnesem, wytwarzającym wokół siebie pole magnetyczne. To pole jest odczuwalne na powierzchni Ziemi.

Highlight: Kształt linii pola magnetycznego Ziemi jest bardzo zbliżony do linii pola magnesu trwałego.

Example: Kompas działa dzięki polu magnetycznemu Ziemi, wskazując kierunek północny.

Doświadczenie Oersteda

Hans Oersted w 1820 roku odkrył związek między elektrycznością a magnetyzmem poprzez swoje słynne doświadczenie.

Definition: Doświadczenie Oersteda polega na obserwacji zmiany położenia igły magnetycznej pod wpływem prądu płynącego w przewodniku.

Doświadczenie Oersteda opis:

1. Ustawienie igły magnetycznej pod przewodnikiem elektrycznym
2. Zasilenie przewodnika prądem elektrycznym
3. Obserwacja zmiany położenia igły magnetycznej

Doświadczenie Oersteda wniosek: Wokół przewodnika z prądem wytwarza się pole magnetyczne.

Charakterystyka linii pola magnetycznego wytworzonego przez przewodnik z prądem:

• Leżą w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika
• Mają kształt okręgów współśrodkowych z przewodnikiem
• Zwrot zgodny z regułą prawej dłoni lub regułą korkociągu

Highlight: Igła magnetyczna nie wychyliła się jeżeli w przewodniku nie płynął prąd elektryczny.

Magnetyczne właściwości substancji

Materiały można podzielić na trzy główne kategorie ze względu na ich właściwości magnetyczne:

1. Ferromagnetyki
2. Paramagnetyki
3. Diamagnetyki

Definition: Ferromagnetyki to substancje o silnych właściwościach magnetycznych.

Ferromagnetyki przykłady:

• Żelazo
• Nikiel
• Kobalt

Ferromagnetyki dzielimy na:

• Miękkie - łatwo ulegają namagnesowaniu i rozmagnesowaniu
• Twarde - trudniej ulegają namagnesowaniu, ale dłużej pozostają namagnesowane

Highlight: Czy każdy ferromagnetyk jest magnesem? Nie, ferromagnetyki mają potencjał do stania się magnesami, ale nie wszystkie są namagnesowane w stanie naturalnym.

Paramagnetyki

Paramagnetyki co to? To substancje, które są słabo przyciągane przez magnes.

Definition: Paramagnetyki to materiały, które wykazują słabe właściwości magnetyczne w obecności zewnętrznego pola magnetycznego.

Paramagnetyki przykłady:

• Glin
• Magnez
• Ciekły tlen
• Hemoglobina zawarta we krwi

Highlight: Oddziaływanie paramagnetyków z magnesem jest tak słabe, że często wymaga specjalnej aparatury pomiarowej lub bardzo silnych elektromagnesów do zaobserwowania.

Paramagnetyki zastosowanie:

• W produkcji czujników magnetycznych
• W technologiach obrazowania medycznego $np. MRI$
• W niektórych typach pamięci komputerowych

Diamagnetyki

Diamagnetyki to substancje, które są zawsze odpychane przez magnesy.

Definition: Diamagnetyki to materiały, które wytwarzają słabe pole magnetyczne przeciwne do zewnętrznego pola magnetycznego.

Charakterystyka diamagnetyków:

• Oddziaływanie z magnesami jest znacznie słabsze niż w przypadku ferromagnetyków
• Trudno zaobserwować to oddziaływanie w codziennym życiu

Przykłady ferromagnetyków:

• Woda
• Złoto
• Grafit

Highlight: Mimo że diamagnetyki są odpychane przez magnesy, efekt ten jest zwykle zbyt słaby, aby go zauważyć bez specjalistycznego sprzętu.

Zwojnica

Zwojnica to układ nawiniętych szeregowo zwojów przewodnika.

Definition: Zwojnica to element elektryczny składający się z wielu zwojów przewodnika, tworzący pole magnetyczne przy przepływie prądu.

Właściwości pola magnetycznego zwojnicy:

• Bieguny magnetyczne wyznaczamy regułą prawej dłoni
• Północny biegun magnetyczny $N$ wskazuje odchylony kciuk przy prawidłowym ułożeniu dłoni

Highlight: Reguła prawej dłoni dla zwojnicy: Jeśli prawą dłonią obejmiemy zwojnicę tak, aby zgięte palce wskazywały kierunek przepływu prądu w zwojach, to odchylony kciuk wskaże północny biegun magnetyczny zwojnicy $N$.

Zastosowania zwojnicy w układach elektrycznych:

• Indukcja prądu
• Źródło pola elektromagnetycznego
• Wpływ na przesunięcie w fazie napięcia i natężenia prądu

Siła elektrodynamiczna (magnetyczna)

Siła elektrodynamiczna to siła, z jaką pole magnetyczne działa na przewód elektryczny, w którym płynie prąd elektryczny.

Definition: Siła elektrodynamiczna $magnetyczna$ to siła oddziałująca na przewodnik z prądem w polu magnetycznym.

Charakterystyka siły elektrodynamicznej:

• Osiąga maksymalną wartość, gdy wektor indukcji jest prostopadły do przewodnika
• Kierunek i zwrot siły wyznaczamy za pomocą reguły lewej dłoni

Highlight: Siła elektrodynamiczna jest podstawą działania wielu urządzeń elektrycznych, takich jak silniki elektryczne czy głośniki.

Reguła lewej dłoni

Reguła lewej dłoni służy do określania kierunku i zwrotu siły elektrodynamicznej F.

Sposób stosowania reguły lewej dłoni:

1. Ustawiamy lewą dłoń tak, by linie pola magnetycznego wchodziły w jej wnętrze
2. Cztery wyprostowane palce wskazują kierunek prądu elektrycznego
3. Odchylony kciuk wskazuje kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej

Highlight: Wszystkie trzy wektory $pole magnetyczne, prąd, siła$ są ustawione pod kątem 90° względem siebie.

Example: Reguła lewej dłoni jest często stosowana w analizie działania silników elektrycznych i innych urządzeń wykorzystujących siłę elektrodynamiczną.

Siła Elektrodynamiczna

Wyjaśnienie pojęcia siły elektrodynamicznej.

Definition: Siła elektrodynamiczna to oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem.