11. POLE MAGNETYCZNE Zakres wiadomości Związek
advertisement
11. POLE MAGNETYCZNE Zakres wiadomości Związek elektryczności z magnetyzmem Doświadczenie Oersteda Pole magnetyczne wokół prostoliniowego przewodnika z prądem i zwojnicy Reguła śruby prawoskrętnej Indukcja pola magnetycznego Siła Lorenza Siła elektrodynamiczna Reguła lewej dłoni – reguła Fleminga Związek elektryczności z magnetyzmem Jednym z najważniejszych odkryć w historii cywilizacji było stwierdzenie związku zjawisk elektrycznych z magnetycznymi. Oba te zjawiska były znane już od bardzo dawna. Już około 600 lat p.n.e. Tales z Miletu pocierając kawałki bursztynu (nazwanego w języku greckim elektronem), zauważył, że przyciągają one niektóre lekkie ciała, czyli stwierdził istnienie oddziaływań elektrostatycznych. W starożytnej Grecji znany był także magnetyt – ruda wydobywana z Azji Mniejszej w pobliżu miejscowości Magnesia. Magnetyt przyciągał małe kawałki żelaza. We wczesnym średniowieczu ustalono ostatecznie, że zjawiska elektrostatyczne i magnetyczne są zupełnie odrębnymi i niezależnymi zjawiskami. Zmiana tego poglądu nastąpiła dopiero w XIX wieku – duński fizyk Oerstedt zauważył, że igła magnetyczna znajdująca się w pobliżu piorunochronu zmieniła swoje ustawienie w czasie silnej burzy. Doświadczenie Oersteda Doświadczenie Oersteda: Nad igłą magnetyczną rozciągnięty jest przewodnik. Jeżeli w przewodniku zacznie płynąć prąd – igła ulegnie wychyleniu. Zmiana kierunku prądu powoduje zmianę wychylenia igły magnetycznej. Z tego doświadczenia wynika wniosek, że: W pobliżu przewodnika z prądem istnieje pole magnetyczne. Pole magnetyczne wokół prostoliniowego przewodnika z prądem i zwojnicy Prąd elektryczny płynący w przewodniku wytwarza wokół niego pole magnetyczne. Linie tego pola są zamknięte i mają kształt okręgów o wspólnym środku. Takie pole nazywamy wirowym. Prąd płynący w zwojnicy podobnie jak magnes wytwarza pole magnetyczne. Linie pola magnetycznego są zamknięte. Wewnątrz zwojnicy linie pola magnetycznego są równoległe. Pole magnetyczne wewnątrz zwojnicy jest polem jednorodnym. Do określania biegunów magnetycznych służy regułą prawej dłoni inaczej reguła śruby prawoskrętnej. Reguła śruby prawoskrętnej Dla przewodnika prostoliniowego reguła śruby prawoskrętnej mówi, że: jeżeli prawa dłoń obejmuje przewodnik tak, by kciuk wskazywał kierunek prądu, to zgięte palce wskażą zwrot linii pola magnetycznego. Dla zwojnicy reguła prawej dłoni mówi, że: jeżeli prawą dłonią obejmujemy zwojnicę tak, by palce wskazywały kierunek prądu w zwojnicy, to kciuk wskaże biegun północny, czyli koniec zwojnicy, z którego linie wybiegają. Indukcja pola magnetycznego Indukcja pola magnetycznego jest o podstawowa wielkość charakteryzująca pole magnetyczne. Indukcja B określa oddziaływanie pola magnetycznego na ładunek elektryczny znajdujący się w tym polu. Indukcja magnetyczna B jest wielością wektorową o kierunku stycznym do kierunku linii pola w danym punkcie. Siła Lorenza Siła Lorenza to siła działająca na poruszające się ładunki znajdujące się w polu magnetycznym. Wynika ona z istnienia siły elektrodynamicznej działającej na przewodnik z prądem, czyli na strumień ładunków poruszających się. Prąd traktujemy umownie jako ruch ładunków dodatnich, więc kierunek i zwrot siły Lorenza działającej na dodatnio naładowaną cząstkę znajdujemy tak jak kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej – reguła lewej dłoni. Dla ładunku ujemnego zwrot siły Lorenza jest przeciwny. Siła Lorenza powoduje zakrzywienie toru ruchu cząstki. Siła elektrodynamiczna Na przewodnik z prądem elektrycznym umieszczonym w polu magnetycznym działa siłą nazwana siłą elektrodynamiczną. Największą wartość ma siła elektrodynamiczna wtedy, gdy przewodnik umieszczony jest prostopadle do linii pola magnetycznego. Natomiast w przypadku, gdy przewodnik jest równoległy do linii pola magnetycznego, to wartość siły elektrodynamicznej jest równa zeru. Kierunek siły elektrodynamicznej jest zawsze prostopadły do kierunku prądu w przewodniku i do kierunku linii pola magnetycznego. Wartość siły elektrodynamicznej jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu i do długości tej części przewodnika, która znajduje się w polu magnetycznym oraz do wartości indukcji magnetycznej, czyli F=B·I·L. Reguła lewej dłoni – reguła Fleminga Kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej określa reguła lewej dłoni: Jeżeli lewą dłoń ustawimy tak, że palce wskazują kierunek prądu, a linie pola magnetycznego wchodzą nam w dłoń, to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej. a/ zadania testowe 1. To, że ciało ferromagnetyczne umieszczone w polu magnetycznym ulega namagnesowaniu wynika z faktu, że: a/ pewne uporządkowane grupy jego atomów mają własności magnetyczne b/ wewnątrz ciała indukują się prądy elektryczne c/ są w nim domeny magnetyczne d/ elektrony i protony wewnątrz ciała ulegają przemieszczeniu e/ ciało się elektryzuje rozwiązanie: W ferromagnetykach każdy atom wytwarza pole magnetyczne podobne do pola magnesu. Na skutek oddziaływań natury elektromagnetycznej , występujących między atomami, ich pola magnetyczne w pewnych niewielkich obszarach ustawiają się jednakowo, co oznacza, że linie sił pól magnetycznych mają jednakowe kierunki i zwroty. Obszary te nazywamy domenami. Przy braku pola zewnętrznego w sąsiednich domenach linie sił pól magnetycznych nie są równoległe. Po zastosowaniu rosnącego pola magnetycznego następuje powiększenie się obszaru tych domen, w których pole atomów jest najbardziej zbliżone do pola zewnętrznego, kosztem domen sąsiednich. Przy pewnej dość dużej wartości pola zewnętrznego następuje gwałtowny obrót pola magnetycznego atomów domeny, tak że pola te mają ten sam kierunek i zwrot. W efekcie pole magnetyczne zostaje wzmocnione. Prawidłowa odpowiedź: a i c 2. W pobliżu leżącego na stole magnesu położono kawałek miedzianego przewodnika. Czy przewodnik zacznie się poruszać: a/ nie, gdyż ładunki w przewodniku nie poruszają się i pole magnetyczne nie działa na nie b/ tak, gdyż magnes przyciąga ciała metalowe c/ nie, gdyż ładunki w przewodniku poruszają się chaotycznie i siła wypadkowa działająca na przewodnik jest równa zero d/ tak, gdyż pole magnetyczne magnesu wywoła w przewodniku prąd indukcyjny rozwiązanie: prawidłowa odpowiedź: c, gdyż przewodnik miedziany nie jest ferromagnetykiem i nie ulega namagnesowaniu – patrz poprzednie zadanie 3. b/ zadania tekstowe c/ problemy i doświadczenia 1. Opisz szczegółowo metodę określania znaków biegunów akumulatora mając do dyspozycji kompas i drut miedziany. Rozwiązanie: ustawiamy drut miedziany pod kompasem równolegle do jego igły magnetycznej. Końce drutu podłączamy do biegunów akumulatora. Igła magnetyczna na skutek oddziaływania pola magnetycznego wytworzonego przez płynący prąd ustawi się prawie prostopadle do kierunku drutu. Biegun północny ustawi się zgodnie ze zwrotem i kierunkiem linii pola magnetycznego. Linie te są okręgami otaczającymi przewodnik, a ich zwrot określamy za pomocą reguły śruby prawoskrętnej.
