Magnetizmus: Magnetické pole a indukcia

Úvod do magnetizmu

• Elektrické a magnetické polia sú úzko prepojené, čo vedie k pojmu elektromagnetizmus.

Magnetické pole

• Magnetické pole je fyzikálne pole, ktoré pôsobí silou (Fm) na elektrické náboje a magnety (vrátane predmetov zo železa, kobaltu a niklu).
• Magnetické pole je dôsledkom pohybu elektrických nábojov, pričom atómy môžu hrať úlohu v elektrických javoch.
• Magnetické pole existuje v okolí permanentných magnetov a vodičov, cez ktoré prechádza elektrický prúd.
• Magnetostatické polia sa nachádzajú v okolí permanentných magnetov alebo vodičov s konštantným prúdom.
• Premenlivé elektromagnetické polia sa nachádzajú v okolí vodičov s premenlivým prúdom.
• Siločiary magnetického poľa indikujú smer pôsobenia poľa v priestore okolo zdroja.
• Magnetické pole má vždy dipólový charakter, pričom magnetický monopól sa zatiaľ nepodarilo vytvoriť.

Magnetická indukcia a intenzita

• Magnetická intenzita (H) a magnetická indukcia (B) sa používajú na popis magnetického poľa.
• Magnetická indukcia (B) sa meria v Teslach [T].
• Magnetická intenzita (H) sa meria v ampéroch na meter [A·m-1]
• μ predstavuje magnetickú permeabilitu a meria stupeň magnetizácie látky vplyvom vonkajšieho poľa.
• Používa sa relatívna permeabilita: μr = μ/μ0, kde μ0 je permeabilita vákua.
• Magnetická intenzita (H) je vektorová veličina, ktorá popisuje mieru silových účinkov magnetického poľa, nezahŕňa reakciu látky, iba vplyv vonkajších zdrojov poľa.
• Magnetická indukcia (B) je vektorová veličina popisujúca magnetické pole a vyjadruje silové účinky na pohybujúce sa náboje.
• Zahŕňa reakciu látky na vonkajšie magnetické pole (jej zmagnetizovanie alebo pôsobenie proti nemu).
• Elektróny pohybujúce sa okolo jadra atómu vytvárajú magnetické pole.
• Každý atóm má preto vlastný elementárny magnetický moment m [A-m-2].
• Tieto momenty sa v látke môžu navzájom rušiť alebo zosilňovať.

Magnetické domény

• Moment sa zvyčajne usporiadajú náhodne, preto sa magnetické vlastnosti na povrchu neprejavujú.
• V niektorých látkach sa momenty orientujú do domén.
• Po vložení látky do magnetického sú momenty ovplyvnené a môžu meniť usporiadanie v látke.

Základné magnetické veličiny a delenie látok

• Diamagnetické látky (μr < 1) zoslabujú magnetické pole (napr. voda, organické látky, meď, striebro, zlato).
• Paramagnetické látky (μr > 1) zosilňujú magnetické pole (napr. hliník, mangán, chróm).
• Feromagnetické látky (μr >> 1) výrazne zosilňujú magnetické pole (napr. železo, kobalt, nikel, gadolínium, dysprózium).
• Diamagnetické látky sú z magnetického poľa vypudzované.
• Paramagnetické a feromagnetické látky sú do magnetického poľa vťahované.
• Feromagnetické látky si ponechávajú magnetizáciu aj po vypnutí vonkajšieho magnetického poľa, čo sa nazýva remanentná magnetizácia.
• Supravodiče vykazujú najsilnejšie diamagnetické vlastnosti a zabraňujú vnikaniu poľa do objemu, až na tenkú povrchovú vrstvu (μr = 0).
• Paramagnetickým látkam po vypnutí vonkajšieho poľa neostáva usporiadaný magnetický moment.
• Feromagnetické látky zostávajú zmagnetizované, čo sa opisuje magnetickou hystéréziou

Curieho Teplota

• Pri zahriatí feromagnetickej látky nad Curieho teplotu (napr. 770°C pre železo) sa stáva paramagnetickou.
• Po ochladení sa látka vráti do feromagnetického stavu s obnoveným usporiadaním domén.
• Vlastnosť sa prejavuje pri termoremanentnej magnetizácií hornín pri tuhnutí lávy.

Neodým

• Neodým (Nd) je v čistej forme paramagnetický, pod 20K aj čiastočne feromagnetický
• Vo forme zlúčeniny Nd2Fe14B má výrazne feromagnetické vlastnosti.
• Zlúčeniny sú známe ako neodýmové magnety, ktoré sa využívajú v reproduktoroch a elektromotoroch.

Elektromagnetizmus a elektromagnetická indukcia

• Elektromagnetizmus začali skúmať fyzici v 19. storočí (Ørsted, Farraday, Ampére, Maxwell).

Biot-Savartov zákon

• Biot-Savartov zákon opisuje magnetickú indukciu B v okolí vodiča, ktorá je spôsobená pohybujúcim sa nábojom.
• Ampérovo pravidlo pravej ruky určuje smer siločiar magnetickej indukcie – palec ukazuje smer prúdu I, prsty ukazujú smer magnetickej indukcie B.
• Magnetická indukcia v okolí solenoidu s dĺžkou l a počtom závitov N sa vypočíta pomocou vzorca.
• Pomer N/l udáva hustotu závitov.

Ampérov zákon

• Ampérov zákon opisuje magnetické pole B v okolí vodiča vo vzťahu k elektrickému prúdu I.
• Krivkový integrál magnetickej indukcie B po krivke I je priamoúmerný celkovému prúdu I prechádzajúcemu plochou S.

Faradayov zákon

• Opisuje sa vznik elektrického napätia v uzavretom obvode vplyvom zmeny magnetickej indukcie B.
• Elektromagnetická indukcia sa je základom pre výrobu elektrického prúdu.

Magnetizmus v geológii a magnetické pole Zeme

• Magnetické pole Zeme vzniká pohybom vodivých častíc vo vonkajšom jadre, tzv. magneto-hydrodynamické javy, ktoré sa vysvetľujú teóriou dynama.
• Oblasť okolo Zeme, kde dominuje magnetické pole, sa nazýva magnetosféra, ktorá chráni pred slnečným vetrom.
• Zemské magnetické pole je dipólové a podlieha prepólovaniu, zaoberá sa tým paleomagnetizmus a archeomagnetizmus).
• Prepólovanie nastáva v intervaloch tisícov až miliónov rokov.
• Zem sa nachádza v Bruhensovej magnetickej epoche, ktorá trvá 780 000 rokov.