Magnetizmus
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 01. července 2007
- Zobrazeno: 3533×
Příbuzná témata
Magnetizmus
Grécky filozof Tháles z Milétu sa ako prvý zaoberal štúdiom príťažlivosti, ktorú prirodzený magnet žel. rudy prejavuje voči bežnému železu. To bolo okolo roku 600 p. n. l., ale trvalo ešte stovky rokov, než bol magnetizmus po prvý ráz využitý k praktickému účelu, napríklad vo forme kompasu. Číňania mali pravdepodobne primitívnu formu magnetického kompasu zhruba pred rokom 200. V Európe sa však kompas objavil až po r. 1200.Prečo prirodzený magnet vždy ukazuje rovnakým smerom, keď sa môže voľne otáčať, ostávalo po storočia záhadou. Dnes už vieme, že železo a iné magnetické materiály sú zložené z drobných zmagnetizovaných častí nazývaných domény. Tie za normálnych okolností nie sú usporiadané a kov nevykazuje žiadny celkový magnetizmus. Keď sú domény zoradené tak, že ich póly smerujú rovnakým smerom, je kov zmagnetizovaný a priťahuje napríklad železné predmety.
Staré národy poznali niektoré magnetické javy rovnako dobre, ako elektrostatické javy. V prírode sa vyskytujú železné rudy, ktoré sú zmagnetované, a preto priťahujú k sebe iné feromagnetické telesá. Starí Gréci sa nazdávali, že magnetické sily majú ten istý pôvod, ako elektrostatické sily. V 16. Storočí sa vedci opierali viac o experimenty, ako o svoje úvahy pri objavovaní prírodných zákonov, a tak prišli k záveru, že magnetické a elektrostatické javy od seba nezávisia. Nepodarilo sa objaviť silové pôsobenie medzi elektricky nabitým telesom a magnetom. Dánsky učiteľ fyziky Hans Christian Oersted objavil v r. 1820 náhodou silu pôsobiacu medzi pohybujúcim sa nábojom a magnetom. Na konci hodiny fyziky sa rozhodol demonštrovať, že medzi javmi elektrickými a magnetickými neexistuje žiadna súvislosť. Do blízkosti magnetickej strelky dal vodič, ktorým tiekol elektrický prúd. Podľa slov jedného z jeho žiakov: „Bol celkom zmätený, keď videl silne kmitajúcu strelku.“ Tak znova ožila stará predstava o súvislosti medzi elektrickými a magnetickými javmi. Na tomto mieste mám v úmysle vysvetliť, prečo je silové pôsobenie magnetov v úplnom súhlase so silovým pôsobením elektrických prúdov. Ako sa správa tyčový magnet vložený do rovnorodého vonkajšieho magnetického poľa? Fyzici v minulosti, aby vysvetlili tento jav, predpokladali, že tyčový magnet má dva póly. Severný pól s magnetickým množstvom +m a južný pól s magnetickým množstvom – m.
Ďalej predpokladali, že na magnetický pól pôsobí sila F=mH
Silové pôsobenie medzi magnetmi vysvetľovali nasledovne: magnetické množstvo m1 vytvára magnetické pole s intenzitou H=m1/4píu0r2, ktorá pôsobí na druhé magnetické množstvo m2 , takže pôsobiaca sila F=m1m2/4píu0r2. Mohli ste si všimnúť, že tento vzťah z magnetostatiky je formálne matematicky rovnaký, ako vzťah pre elektrostatickú silu. Celkový počet magnetických siločiar v okolí magnetického množstva m určuje vzťah
m
NH= –––
u0
Priebeh magnetických siločiar v okolí tyčového magnetu je rovnaký, ako priebeh elektrických siločiar v elektrostatickom poli vytvorenom dvoma nábojmi opačných znamienok. Magnetické pole v okolí solenoidu je rovnaké, ako magnetické pole v okolí tyčového magnetu. To nás privádza na myšlienku, či aj tyčový magnet nie je v podstate solenoid s akýmsi „tajomným“ vnútorným prúdom, ktorý nikdy nezaniká.
Ak vložíme do vonkajšieho magnetického poľa solenoid, tento sa snaží, rovnako ako tyčový magnet, otočiť do smeru intenzity magnetického poľa. Podľa druhého pravidla pravej ruky, sila pôsobiaca na dolnú časť závitu smeruje dolu a sila pôsobiaca na hornú časť závitu smeruje hore. Sily pôsobiace na strany sa navzájom rušia, pretože sú rovnako veľké, proti sebe orientované a pôsobia v jednej priamke. Na každý závit podľa toho pôsobí dvojica síl,
ktorá sa snaží otočiť cievku proti pohybu hodinových ručičiek do smeru magnetických siločiar.
Táto dvojica síl sa využíva v elektromotoroch. Tieto sily spôsobujú rotáciu cievky proti pohybu hodinových ručičiek. Keď sa slučka otočí o uhol 180°, pôsobí na ňu elektrický prúd tými istými silami. Ak tento jednoduchý pravouhlý závit uvedieme do pohybu, bude sa zotrvačnosťou otáčať proti pohybu hodinových ručičiek.
Ak na cievku pripojíme dlhú ručičku a pružinku, bude výchylka ručičky tým väčšia, čím väčší prúd použijeme. Toto je princíp ampérmetra.
V r. 1836 Ampére , aby vysvetlil vlastnosti tyčového magnetu, predpokladal, že je to v podstate solenoid so „vstavanými“ prúdmi, ktoré pretekajú po jeho vonkajšom povrchu. Ampére povedal: „...na základe jednoduchého porovnávania faktov sa mi zdá byť nemožné pochybovať o tom, že tieto prúdy okolo osi magnetu skutočné pretekajú.“
Ampérov prúd pripadajúci na jednotkovú dĺžku tyčového magnetu i´.
Podľa vzťahu je celkový počet magnetických siločiar
NH= i´A
Ak však uvažujeme magnetické množstvo m v póle magnetu , môžeme písať
m
NH= ––––
u0
Podľa toho
m
––– = i´A
u0
m = u0 i´A
čiže m
i´= ––––
u0A
Tak je vyjadrená závislosť magnetického množstva magnetu alebo solenoidu od cirkulujúceho prúdu. Ale odkiaľ je tento trvalý prúd? Na vysvetlenie Ampére použil schému molekúl feromagnetickej látky a s nimi spojených cirkulujúcich prúdov, ktoré pretekajú v uzavretých okruhoch bez odporu. Predpokladal, že vonkajšie magnetické pole môže usporiadať tieto molekuly navzájom paralelne, takže ich elementárne magnetické polia sa sčítavajú. Elementárne prúdy sa sčítavajú a vytvárajú výsledný povrchový prúd. Všimnime si, že prúdy vo vnútri sa navzájom rušia.
Tento výklad magnetických javov, ktorý predstihol objavenie elektrónu približne o 60 rokov, bol jasnou predzvesťou našich moderných poznatkov o atómovej štruktúre a o teórií magnetizmu. Ampérové elektrické okruhy s nulovým odporom presne zodpovedajú pohybu elektrónov v Bohrovom modeli atómu. Každý elektrón v tomto modeli predstavuje trvalý prúd, podobný jednoduchému závitu v solenoide. Vo väčšine atómov sú tieto elektrónové dráhy, čiže prúdové slučky orientované tak, že sa navzájom rušia. Feromagnetické látky, ako je železo, kobalt a nikel, majú nasledujúce dve vlastnosti:
1. V ich atómoch sa elektrónové dráhy a elektrónový spin (rotujúci náboj) navzájom nerušia
2. Dva susedné atómy pôsobia na seba silami, ktoré sa snažia usporiadať atómy tak, aby ich prúdové slučky boli všetky v jednom smere. Úplné vysvetlenie týchto otázok dáva
kvantová mechanika. Časť kvantovej mechaniky, ktorá pojednáva o týchto javoch, nazýva sa fyzika tuhých látok. Vieme, že každé teleso z feromagnetického materiálu sa skladá pri izbovej teplote z makroskopických domén (majú rozmery rádu tisícin cm), v ktorých sú všetky atómy usporiadané jedným smerom. V materiále, ktorý nie je zmagnetovaný, sú domény orientované náhodne. Pri procese magnetizácie sa domény usporiadajú, a to tým, že sa posúvajú ich hranice. Domény, ktorých orientácia sa blíži orientácií poľa, sa zväčšujú, zatiaľ čo sa ostatné zmenšujú.
Magnetizmus ako jedna z foriem energie má skutočné široké pole pôsobenia. Dôkazom toho je napríklad magnetosféra. Je oblasť okolia telesa (Zem, planéty, hviezdy), kt. rozmery, tvar a fyz. vlastnosti sú určené magnetickým poľom telesa a interakciou s prostredím. Magnetosféra Zeme je oblasť určená siločiarami magn. poľa Zeme a interakciou so slnečným vetrom. Začína sa vo výškach nad 1000 km, jej vonkajšou hranicou je magnetopauza vo vzdialenosti asi 10 polomerov Zeme na strane privrátenej k Slnku a asi 40 polomerov Zeme na strane odvrátenej od slnka.
Magnetosféra je deformovaná interakciou siločiar poľa so sln. vetrom aj smerovo v dôsledku sklonu spojnice pólov k smeru toku sln. vetra (k eliptike). Na čelnom rozhraní toku sln. vetra a m. vzniká rázová vlna, pretiahnutá oblasť m. tvorí chvost Zeme. V m. sa zachytávajú nabité častice sln. vetra do magn. pasce, čím vznikajú pásy zvýšenej koncentrácie elektricky nabitých častíc – van Allenove pásy žiarenia.
Ďalší príklad sú magnetické póly. Je to miesto na povrchu telesa, kde je horizontálna intenzita magn. poľa nulová. Magnet voľne zavesený v zemskom magn. poli sa otočí jedným pólom na sever a druhým na juh. Zemské m. p. nie sú totožné so zemepisnými pólmi, sú od nich vzdialené asi 1 550 , resp. 2 400 km a ich poloha v zemskom telese sa pomaly mení. Pri magn. búrkach (poruchy zemského magn. poľa vplyvom sln. korpuskulárneho žiarenia) nastáva odklon m. p.
Približne každých 300 000 rokov sa magnetické póly Zeme menia, t. j. že severný a južný pól si vymieňajú svoje miesta. Tento jav je známy ako preklopenie pólov a pravdepodobne sa deje odvtedy, čo vznikla Zem. Ako to vedci môžu vedieť? Odpoveď sa nachádza v magnetických pruhovaných vzorkách železnej rudy, ktorá sa nachádza v niektorých skalách. Magnetické častice v roztavených skalách, takých ako láva na obrázku dole, sú usporiadané podľa magnetických pólov Zeme. Keď skala stvrdne, trvalý záznam o zemskom magnetizme zostáva v sklách. Geológovia dokážu tieto informácie prečítať.
Magnet. má veľký vplyv aj na životy mnohých organizmov. Výskumy napr. ukazujú, že niektoré druhy zvierat, napr. holuby, morské korytnačky a niektoré motýle, majú vbudovaný kompas, a tak sa s pomocou magnetického poľa Zeme môžu orientovať na dlhých vzdialenostiach.
Ako som už spomínal ľudia si už od staroveku uvedomovali silu magnetizmu. Keďže magnetit mal také tajomné vlastnosti, už v staroveku sa ľudia zamýšľali nad tým, či sa nedá využiť na liečenie. Od 16. storočia sa začali používať magnetické liečebné procedúry. Roztlčený magnetit zmiešaný s masťou mal údajne liečivé vlastnosti. V 80. rokoch 18. str. sa ľudia liečili i tak, že držali železné tyče, ktoré vytŕčali zo zafarbenej „magnetickej vody“. Pritom nad pacientmi mávali magnetickými prútikmi. Dnes sa magnety používajú oveľa praktickejšie. Jednou z diagnostických metód je zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie (NMR). Táto metóda využíva silné, ale neškodné magnetické pole, ktoré mapuje mäkké tkanivo tela bez toho, aby ho poškodilo.
Trojrozmerný obraz vnútorných organov sa zobrazuje na monitor počítača a ukáže abnormality.
Okrem obyčajného magnetu na chladničke existuje mnoho vecí, ktoré majú vo vnútri schovaný magnet. Magnetické čierne pásy na opačnej strane kreditnej karty obsahujú informáciu, ktorú sníma automat, keď doň zasunieme kartu. Páska z plastu vo vnútri magnetofónových kaziet alebo videokaziet je potiahnutá oxidom železitým. Tieto zmagnetizované častice udržujú informáciu, ktorá sa potom mení na zvuky alebo obrazy. Počítače uchovávajú dáta ako magnetické vzory na plastikových diskoch, ktoré majú magnetický povrch. Reproduktory rádia a televízie produkujú tóny prostredníctvom vibrujúceho magnetu. Zvončeky na dverách a bezpečnostné alarmy využívajú magnet na aktiváciu zvuku.
Magnet má veľké využitie v budúcností. Predstavte si vlak, ktorý nemá ani kolesá ani motor, ale pohybuje sa rýchlosťou do 480km/h. V Japonsku a Nemecku boli postavené vlaky na princípe magnetickej levitácie (maglev) , ktoré sa vznášajú na vzduchovej poduške nad jedinou koľajnicou. Elektromagnety, pripevnené na spodku vlaku a na koľajnici, nadnášajú vlak a hladko ho posúvajú vpred po trati. Pretože sa maglev nedotýka koľajnice, odpor v dôsledku trenia ja minimálny. Vďaka tomuto vlak spotrebuje menej energie, pohybuje sa rýchlejšie a takmer nehlučne.
Magnetizmus je jav, ktorý skrýva ešte veľa tajomstiev. Pokúsil som sa Vám aspoň trochu priblížiť taje tohto javu a zvyšok neodhalených tajomstiev, ktoré magnetizmus ešte ukrýva prenechávam vedcom budúcnosti.