Stacionární magnetické pole

• neproměnné magnetické pole
• magnetické pole vzniká okolo magnetu a přitahuje feromagnetické látky (Fe,Co,Ni)
• magnety

o přírodní – magnetovec

o umělé (ferity) – ocel, slitiny železa

• magnety mají dva póly severní N a jižní S
• jiné rozdělení podle tvaru magnetu

o kulový magnet (Země)

§ severní magnetický pól leží poblíž jižnímu zeměpisnému pólu

o tyčový magnet

§ na koncích je magnet nejsilnější, N a S magnetický pól se nedají mechanicky rozdělit, uprostřed je netečné pásmo (nejslabší magnetická síla)

• feromagnetická látka se v magnetické poli zmagnetizuje a stane se z ní:

o trvalý magnet – magneticky tvrdá ocel

o dočasný magnet – magneticky měkká ocel

• indukční čáry – prostorová křivka, jejíž tečna má směr od N do S, myšlené čáry, které nám ukazují působení magnetického pole, mají směr od S do N

Magnetické pole vodiče s proudem

• Oersted 1820 – objevil, že v blízkosti vodiče s proudem se magnetka vychýlí
• příčinou magnetického pole kolem vodiče je pohyb nosičů náboje
• indukční čáry okolo přímého vodiče mají tvary soustředných kružnic, jejich orientace závisí na směru proudu a směr určíme Ampérovým pravidlem pravé ruky: palec ukazuje dohodnutý směr proudu a prsty ukazují orientaci indukčních čar

o zřídlové pole (elektrické pole) – siločáry začínají a končí

o vírové pole (magnetické pole) indukční čáry nemají zdroj ani konec

Magnetická síla Fm

• základní projev magnetického pole
• důkaz existence: působení magnetu na vodič s proudem
• kolmá na přímý vodič i na indukční čáry (magnetickou indukci)
• její směr určíme Flemingovým pravidlem levé ruky: otevřenou ruku položíme k přímému vodiči, aby prsty ukazovaly směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně, odtažený palec ukazuje směr magnetické síly, která působí na přímý vodič
• platí, že magnetická síla je přímo úměrná proudu, délce vodiče a magnetické indukci: – vodič je kolmý k indukčním čarám jinak platí ;

Magnetická indukce B

• charakterizuje silové působení magnetického pole
• v homogenním magnetickém poli je konstantní, má směr indukčních čar
• jednotkou je Tesla , velikost se pohybuje 10–2 T až 10–1 T, magnetické pole Země má magnetickou indukci

Magnetické pole rovnoběžných vodičů s proudem

• magnetická indukce leží v rovině kolmé k vodiči a má směr tečny indukčních čar
• magnetická indukce v bodě je dána vztahem , kde d je kolmá vzdálenost bodu od vodiče a je permeabilita prostředí, která je dána vztahem , kde je permeabilita vakua a je relativní permeabilita prostředí
• pokud umístíme dva vodiče s proudem vedle sebe začnou na sebe působit svými magnetickými poli
• v případě, že proud prochází v obou stejným směrem, pak se vodiče přitahují, pokud proudy proudí proti sobě tak se odpuzují
• směr magnetické síly, která působí na jeden z rovnoběžných vodičů s proudem, závisí na směru proudu v druhém vodiči
• magnetická síla působící mezi dvěma vodiči se vypočítá

Definice Ampéru: Ampér je stálý proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného průřezu umístěnými ve vakuu ve vzdálenosti 1 m od sebe vyvolá mezi vodiči sílu o velikosti 2.10–7 N na 1m délky vodiče.

Magnetické pole cívky

• cívka – vodič ve tvaru závitu
• solenoid – dlouhá válcová cívka s velkým počtem závitů, jejichž průměr je mnohem menší než délka cívky
• uvnitř solenoidu je homogenní magnetické pole, orientaci indukčních čar zjistíme Ampérovým pravidlem pravé ruky: položíme pravou ruku na cívku tak, aby pokrčené prsty ukazovaly dohodnutý směr proudu v závitech cívky a palec ukazuje orientaci magnetických indukčních čar , kde N je počet závitů, je hustota závitů (kolik závitů připadá na jednotku délky)
• magnetické pole vně cívky je podobné jako magnetické pole tyčového magnetu, konec cívky, kde vystupují indukční čáry, odpovídá severnímu pólu, druhý konec, kde cívky vstupují odpovídá jižnímu pólu, podle ampérova pravidla je severní pól na straně palce

Částice s nábojem v magnetickém poli

• proud je dán jako množství náboje, které projde průřezem za určitý čas , protože celkový náboj je součtem nábojů všech částic a čas je dán , kde l je délka vodiče a v je rychlost částic ze vztahu dostaneme sílu, která působí na jeden elektron
• tento vztah neplatí jen pro částice ve vodiči ale i mimo něj (elektrony, protony, ionty atd.)
• Wehneltova trubice – umožňuje zkoumat pohyb volných částic v magnetickém poli
• Pokud na částici působí současně magnetická i elektrická síla, pak výslednice se nazývá Lorentzova síla , pokud je elektrická síla nulová rovná se magnetické
• směr magnetické síly závisí na náboji částice
• na částici pohybující se ve směru magnetické indukce magnetické pole nepůsobí
• pokud je magnetické síla kolmá na směr pohybu částice, magnetické pole nekoná práci a celková ani kinetická energie částice se nemění
• když částice vletí do magnetického pole začne na ní působit magnetická síla, která se za určitých podmínek (indukční čáry před nákresnu) chová jako dostředivá síla a částice opisuje kružnici
• použití: vychylování elektronového proudu v televizní obrazovce

Magnetické vlastnosti látek

• příčina magnetismu – nabité částice v atomech vytvářejí elementární magnetická pole a výslednice těchto polí je celkové magnetické pole atomu, na výslednici závisí magnetické vlastnosti látek

Diamagnetické o skládají se z diamagnetických atomů, jejich relativní permeabilita je menší než vakua

o zeslabují magnetická pole, jsou to inertní plyny, zlato, měď, rtuť

Paramagnetické o z paramagne­tických atomů, relativní permeabilita je nepatrně větší než vakua

o mírně zesilují magnetická pole, patří sem sodík, draslík, hliník

o atomy těchto látek mají vlastní magnetická pole, nelze ale docílit toho, aby všechny atomy měli stejnou orientaci magnetických polí a proto působí proti sobě

Feromagnetické o z paramagne­tických atomů, avšak jejich relativní permeabilita je o hodně vyšší (102 až 105 a silně zesilují magnetická pole

o atomy se lehce uspořádávají vnějším působením a orientace jejich magnetických polí je stejná, nastává magnetizace látky, která přetrvává i po skončení vnějšího působení

o železo, kobalt, nikl a jejich slitiny

o používají se jako jádra cívek v elektromagnetech a transformátorech

§ feromagnetismus látek je možný pouze pokud jsou v krystalickém stavu, je to tedy vlastnost struktury látek a ne atomů

§ pro každou feromagnetickou látku existuje teplota (Curieova teplota) , při jejíž překročení ztrácí látka feromagnetické vlastnosti

o patří se také feromagnetické látky – ferity (sloučeniny oxidu železa a jiných kovů) – slaboproudá elektronika (mají větší odpor než feromagnetické lát­ky)

Magnetické materiály v technické praxi

Elektromagnet

• cívka navinutá na feromagnetické jádro
• pokud cívkou neprochází proud jádro nepřitahuje drobné ocelové piliny
• pokud proud začne procházet pak dojde k magnetování jádra a to začne přitahovat piliny
• s rostoucím proudem se indukce zvyšuje, při určitém proudu dosáhne maxima (je magneticky nasyceno) a již s proudem neroste
• když proud přerušíme, magnetické pole zcela nezanikne, zůstává částečně zmagnetováno a jeho magnetické pole má remanentní magnetickou indukci, na základě této indukce rozlišujeme materiály magneticky tvrdé (permanentní magnet) a magneticky měkké (dočasný magnet)

Využití magnetických materiálů

Elektromagnetické relé: elektromagnet tvořen cívkou (1) a jádrem (2)z magneticky měkké oceli, blízko kterých je pohyblivá kotva (3) také z magneticky měkké oceli a ta se dotýká pružných kontaktů (4) k nimž je připojen obvod ovládaného zařízení, jakmile začne procházet proud, kotva se přitáhne k jádru a sepne kontakty, tím se zařízení uvede do chodu, k přitažení kotvy potřebujeme menší proud, než který prochází obvodem ovládacího zařízení Magnetický záznam signálu: založeno na trvalém zmagnetizování vrstvy feromagnetické látky nanesené na nosiči z plastického materiálu, záznam se uskutečňuje pomocí elektromagnetu – záznamové hlavy, kterou tvoří cívka, jejíž jádro je složeno z tenkých plíšků uspořádaných do prstence, jádro není uzavřené, ale je přerušeno štěrbinou, která je vyplněna nemagnetickým materiálem. Když cívkou prochází proud vzniká v cívce proměnné magnetické pole, jeho indukční čáry vystupují ze štěrbiny a vstupují na povrch jádra cívky, před štěrbinou se stálou rychlostí pohybuje záznamové medium a na jeho vrstvě se vytvářejí souvislé řady různě zmagnetizovaných míst s proměnnou hodnotou a směrem indukce. Čtení probíhá obráceně – různé hodnoty magnetického pole vyvolávají ve čtecí hlavě proměnné proudy.