Fizyka:Gimnazjum/Magnetyzm

Edytuj
Komentarze              Archiwum wersji (wszystkie edycje)

Skopiowano ze stron roboczych projektu Wolne Podręczniki

Brakuje: Kilku rysunków, akapitu o mikroskopowym wyjaśnieniu ferromagnetyzmu, zadań

Spis treści

Wstęp

W tym rozdziale zajmiemy się zjawiskami związanymi z magnetyzmem. Możliwe, że wykorzystujesz je na co dzień, ale nie zawsze o tym wiesz. Odpowiemy też na kilka pytań, które pomogą Ci lepiej zrozumieć:

Na czym polega oddziaływanie magnesów? W jaki sposób zbudowany jest kompas? Czym jest ziemskie pole magnetyczne? Dlaczego zorze polarne występują w okolicy biegunów Ziemi? Jak skonstruowany jest prosty silnik? W jaki sposób produkowany jest prąd elektryczny?

Magnetyt (Fe3O4) jest naturalnym magnesem


Właściwości magnesu znane były już w starożytności. Pierwsze wzmianki o tym, że minerał zwany magnetytem (jego skład chemiczny wyrażamy wzorem Fe3O4) przyciąga żelazo, pochodzą z VI wieku przed naszą erą. Chińczycy już w XI wieku, a żeglarze europejscy od XII, wykorzystywali w nawigacji fakt, że igiełki magnetyczne ustawiają się w kierunku północ-południe. Badaniem magnetyzmu zajmował się William Gilbert (1544-1603), który dokonał istotnych odkryć. Jako pierwszy sformułował przypuszczenie, że sama Ziemia jest wielkim magnesem. Kolejnym przełomem były badania Ørsteda, Faradaya i Maxwella w XIX wieku. Przyczyniły się one do wykrycia związku między elektrycznością a magnetyzmem oraz do stworzenia teorii elektromagnetyzmu, co zapoczątkowało gwałtowny rozwój nowoczesnej nauki i techniki.



Oddziaływanie magnesów

Więcej o oddziaływaniu magnesów dowiesz się, przeprowadzając kilka prostych doświadczeń:

Doświadczenie 1

Zbliż do siebie dwa magnesy (mogą to być magnesy do przyciskania karteczek na lodówce, szkolne magnesy sztabkowe lub inne). Następnie obróć jeden z nich tak, aby zbliżyć go do drugiego odwrotną stroną. Co się dzieje?

Magnesy przyciągają się lub odpychają, w zależności od tego, którymi końcami je do siebie zbliżymy.

Gdy mały podłużny magnes (igłę magnetyczną) zamontujemy tak, aby mógł się swobodnie obracać, to zauważymy, że ustawia się on zawsze zgodnie z kierunkiem północ-południe. Własność tę od wieków wykorzystuje się w nawigacji, budując kompasy i busole magnetyczne.

Najważniejszą częścią kompasu jest igła magnetyczna.
Każdy magnes ma dwa bieguny. Nazywamy je biegunem północnym (N) i biegunem południowym (S)

Powyższy fakt sprawił, że jedną stronę kompasu, tę wskazującą północ, nazwano biegunem północnym (N od angielskiego North), a drugą — biegunem południowym (S od angielskiego South). Jeśli teraz powtórzymy doświadczenie 1 (tym razem z magnesami o oznaczonych biegunach), to zauważymy, że bieguny jednoimienne odpychają się, a bieguny różnoimienne się przyciągają.

Doświadczenie 2

Weź kilka małych magnesów i spróbuj je połączyć ze sobą. Jak się teraz zachowują?

Gdy przełamiemy jeden magnes na pół, powstaną dwa magnesy. Każdy z nich będzie miał po dwa bieguny magnetyczne, których nie da się rozdzielić.

Widzimy, że łącząc kilka mniejszych magnesów, uzyskujemy jeden większy i mocniejszy magnes. Po przełamaniu go na dwie części, każda z nich staje się magnesem posiadającym dwa bieguny. Dzieje się tak za każdym razem.

Zaobserwowaliśmy właśnie bardzo ważną cechę magnesów: nie istnieją pojedyncze bieguny magnetyczne. Każdy magnes ma dwa bieguny — północny i południowy. Jest to inna sytuacja od tej, z jaką spotkaliśmy się w elektrostatyce, gdzie możliwe było rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych. Tutaj nie ma osobnych „ładunków magnetycznych” — bieguny zawsze występują parami.

W roku 1820 Hans Christian Ørsted (1777-1851) dokonał ważnego odkrycia związanego z magnetyzmem. Zauważył on, że igła magnetyczna odchyla się od kierunku północnego, gdy znajduje się w pobliżu przewodnika, w którym płynie prąd.


Doświadczenie 3

Powtórzmy teraz doświadczenie Ørsteda. Weź małą igłę magnetyczną (np. zwykły kompas turystyczny) i umieść ją w pobliżu przewodnika, w sposób przedstawiony na zdjęciu. Podłącz jeden koniec przewodnika do jednego z biegunów bateryjki (np. płaskiej baterii 4,5 V), a drugi do drugiego. Co się dzieje? Powtórz doświadczenie, ustawiając igłę raz pod, a raz nad przewodem z prądem. Zwróć uwagę na kierunek wychylenia igły w każdym z badanych położeń i dla obu kierunków przepływającego prądu. Co się dzieje? Spróbuj także zaobserwować zmiany wychylenia igły w zależności od jej odległości od przewodnika z prądem.

Doświadczenie Ørsteda: położenie igły magnetycznej, gdy przez przewodnik nie płynie prąd — igła pozostaje w tym samym miejscu.
Położenie igły magnetycznej, gdy przez przewodnik płynie prąd — igła się odchyla.

Widzimy, że gdy przez przewód płynie prąd, igła kompasu się wychyla. Gdy zamieniamy bieguny, do których podłączony jest przewód, czyli gdy prąd płynie w drugą stronę, igła odchyla się w przeciwnym kierunku. Kierunek wychylenia zmienia się na przeciwny także wtedy, gdy zmieniamy położenie igły.
Stwierdziliśmy, że przewodnik z prądem oddziałuje na magnes. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki powinno także zachodzić zjawisko odwrotne — magnes powinien oddziaływać na przewodnik z prądem. Sprawdźmy, czy tak się dzieje, wykonując następujący eksperyment:

Doświadczenie 4

Spróbuj zrobić z kawałka sztywnego drutu „huśtawkę” i umieścić ją wewnątrz magnesu podkowiastego (układ ten przedstawiony jest na rysunku obok). Podłącz przewód do prądu (np. do bateryjki 4,5V). Co widzisz? Co się zmieni, gdy prąd popłynie w przeciwnym kierunku, a co — gdy odwrócisz bieguny magnesu?

Siła elektrodynamiczna działa na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym.

[Red: Opisać strzałki na rysunku i w podpisie.] Zaobserwowaliśmy, że „huśtawka” wychyla się, gdy płynie przez nią prąd. Oznacza to, że działa na nią siła. Siłę, którą magnes oddziałuje na przewodnik z prądem, nazywamy siłą elektrodynamiczną.

Pytania:

  1. W jaki sposób oznaczyć bieguny namagnesowanego kawałka żelaza, mając do dyspozycji kompas?
  2. Dlaczego w pobliżu kompasu nie powinno się umieszczać silnych magnesów?
  3. Jak zachowuje się igła magnetyczna w pobliżu przewodnika z prądem? A jak przewodnik z prądem w pobliżu magnesu?

Pole magnetyczne

W wykonanych powyżej doświadczeniach zauważyliśmy, że magnesy i przewodniki z prądem mogą oddziaływać na siebie z pewnej odległości. Z podobną sytuacją spotkaliśmy się już wcześniej — w elektrostatyce — gdy dotyczyło to ładunków elektrycznych. Mówiliśmy wówczas o ładunkach wytwarzających wokół siebie pole elektryczne, które powoduje, że na każdy ładunek elektryczny umieszczony w tym polu działa siła. Obecnie będziemy posługiwać się pojęciem pola magnetycznego — tak nazywamy pole wytwarzane przez magnesy oraz przewodniki z prądem.

Ważne

Polem magnetycznym nazywamy taką właściwość przestrzeni, która powoduje, że na każdy umieszczony w niej magnes i przewodnik z prądem działa siła.

Zastanówmy się nad tym, jak można zbadać pole magnetyczne? W przypadku pola elektrycznego sprawdzaliśmy, jakie siły działają na małe ładunki (zwane ładunkami próbnymi) umieszczone w takim polu. Teraz możemy obserwować, w jaki sposób ustawiają się niewielkie magnesy, umieszczone w polu magnetycznym. Wykonajmy zatem następujące doświadczenie:

Doświadczenie 5

Weź duży magnes sztabkowy i umieść wokół niego małe igły magnetyczne. Zobacz, jak się układają.

Igły magnetyczne układają się wzdłuż linii pola magnetycznego.

Jak widać, igły magnetyczne układają się wzdłuż pewnych linii. Nazywamy je liniami pola magnetycznego.

Inną metodą badania pola magnetycznego jest obserwacja drobnych opiłków żelaznych w pobliżu źródła pola magnetycznego (na przykład magnesu lub przewodnika z prądem).

Doświadczenie 6

Na magnesie sztabkowym połóż cienką, sztywną tekturkę i rozsyp na niej drobne opiłki żelaza. Zaobserwuj, w jaki kształt się układają.

Ułożenie opiłków żelaznych obrazuje kształt pola magnetycznego.
Linie pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego.


Widzimy, że opiłki żelazne ustawiają się wzdłuż takich samych linii jak poprzednio ustawiały się igły magnetyczne. Linie te wychodzą z jednego bieguna magnesu, a kończą się w drugim (przyjęło się oznaczać kierunek linii od bieguna północnego do bieguna południowego). Sprawdźmy, co się stanie, gdy posłużymy się magnesem w innym kształcie lub kilkoma magnesami. W tym celu powtórzmy doświadczenie z opiłkami żelaznymi, używając magnesu w kształcie podkowy, a później — dwóch magnesów sztabkowych.

Opiłki układają się wzdłuż linii pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes w kształcie podkowy.
Opiłki układają się wzdłuż linii pola magnetycznego między biegunami jednoimiennymi.
Opiłki układają się wzdłuż linii pola magnetycznego między biegunami różnoimiennymi.


[Red: Bardziej regularny magnes podkowiasty, z uwagą, że w środku pole w przybliżeniu jednorodne] Widzimy, że linie pola wychodzą z jednego bieguna, a kończą się w drugim. Sprawdźmy teraz, jak wygląda pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem:

Doświadczenie 7

Przeprowadź przewodnik z prądem prostopadle do tekturki w sposób pokazany na zdjęciu. Rozsyp na tekturce metalowe opiłki. Podłącz przewodnik do bateryjki i zobacz, w jak sposób się układają.

Opiłki wokół przewodnika z prądem układają się w okręgi.
Opiłki wokół przewodnika z prądem układają się w okręgi.


Widzimy, że opiłki układają się w okręgi, których środkiem jest przewodnik przechodzący przez tekturkę. Jest to ilustracja wcześniej stwierdzonego faktu, że przewodnik z prądem wytwarza pole magnetyczne.

Linie pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem.


[Red: Zmienić powyższy rysunek] Kolejnym przykładem jest pole magnetyczne wytwarzane przez zwojnicę z prądem. Zwojnica (cewka) zbudowana jest z wielokrotnie nawiniętego przewodu (patrz rysunek). Gdy włączymy taki obwód do prądu, wytwarza on pole magnetyczne.

Zwojnica opilki.jpg

Widzimy, że linie pola wytwarzanego przez zwojnicę (przedstawioną na powyższym zdjęciu) są podobne do linii pola wytwarzanego przez magnes sztabkowy. Jeden z końców cewki możemy uznać za biegun północny, a drugi — za biegun południowy. Zwojnica działa jak „magnes elektryczny”, który w każdej chwili można włączyć do prądu i go z prądu wyłączyć. Gdy zbliżymy do zwojnicy igłę magnetyczną, okaże się, że po zmianie kierunku prądu przepływającego przez zwojnicę, zmienią się także jej bieguny magnetyczne. W dalszej części rozdziału poznamy działanie lepszej wersji takiego magnesu elektrycznego.

Z obserwacji linii pola magnetycznego możemy wyciągnąć ważny wniosek. We wszystkich badanych przez nas przykładach, linie te były zamknięte. Nigdy też nie spotkamy się z takimi liniami pola, jak w elektrostatyce w przypadku pola wytwarzanego przez ładunek punktowy. Wynika to z faktu, że nie istnieją pojedyncze ładunki magnetyczne, podczas gdy ładunki elektryczne można rozdzielić na dodatnie i ujemne. Jak już wcześniej zauważyliśmy: magnes zawsze ma dwa bieguny, nawet po przełamaniu go na dwie części.

Ważnym przykładem pola magnetycznego jest pole wytwarzane przez Ziemię. Wspomnieliśmy już o tym, że igły magnetyczne ustawiają się w jednym kierunku, pokazując w przybliżeniu geograficzny biegun północny Ziemi. Dzieje się tak dlatego, że sama Ziemia zachowuje się jak magnes, wytwarzając pole magnetyczne. Zjawisko to od wieków wykorzystywane jest przez podróżników.


Pole magnetyczne Ziemi. Północny biegun magnetyczny położony jest na półkuli południowej, a południowy biegun — na półkuli północnej.


Mechanizm powstawania pola magnetycznego Ziemi nie jest do końca znany. Wiadomo jednak, że to proces skomplikowany i związany z ruchem płynnego jądra Ziemi. Kształt tego pola, w przybliżeniu, przedstawiamy na powyższym rysunku. Zwróć uwagę, że bieguny magnetyczne nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Jeśli potraktujemy Ziemię jak magnes, to na półkuli północnej znajdzie się południowy biegun magnetyczny (wiemy, że przyciąga on północne bieguny igieł magnetycznych w kompasach), a na półkuli południowej — biegun północny. Dodatkowo nie jest to pole statyczne, czyli zmienia się z upływem czasu. Położenie bieguna magnetycznego północnego przesuwa się co roku o kilkadziesiąt kilometrów. Najnowsze badania pokazują, że w przyszłości może dojść nawet do zamiany położenia biegunów magnetycznych. Zjawisko to zachodziło już kilkukrotnie w historii, może mieć jednak dość poważne konsekwencje, o których dowiesz się więcej w następnym rozdziale.

Pytania:
  1. Jak można zbadać pole magnetyczne?
  2. Czym różnią się linie pola magnetycznego od linii pola elektrostatycznego?

Oddziaływanie magnetyczne przewodników z prądem i ładunków w ruchu

Omówiliśmy już doświadczenie, w którym na umieszczony w polu magnetycznym przewodnik z prądem działa siła, zwana siłą elektrodynamiczną. Zbadajmy dokładniej jej właściwości, wykonując kilka prostych doświadczeń.

Doświadczenie 8

Powtórz doświadczenie 4, umieszczając przewód w kształcie „huśtawki” w polu magnetycznym. Tym razem do obwodu dołącz opornik regulowany i amperomierz. Następnie zmieniając opór, a przez to i natężenie prądu płynącego przez przewodnik (jeśli nie pamiętasz, jaki jest związek oporu z natężeniem prądu, przypomnij sobie prawo Ohma omawiane w rozdziale o prądzie elektrycznym), obserwuj wychylenie „huśtawki”.

Przewodnik z prądem wychyla się dalej, gdy przez przewodnik płynie prąd o większym natężeniu.

W powyższym doświadczeniu można zaobserwować, że wychylenie huśtawki, a więc siła, która działa na przewodnik, wzrasta proporcjonalnie do wzrostu natężenia prądu płynącego przez ten przewodnik.

Doświadczenie 9

Wykonaj jeszcze raz powyższe doświadczenie, tym razem dokładając drugi magnes podkowiasty, w sposób pokazany na rysunku. Co się dzieje?

Przewodnik z prądem wychyla się dalej, gdy jego większy fragment umieszczony jest w polu magnetycznym.

„Huśtawka” wychyla się dalej, gdy dołożymy drugi magnes. Siła elektrodynamiczna jest więc proporcjonalna do długości tego odcinka przewodnika, który znajduje się w polu magnetycznym.

W opisanych wyżej doświadczeniach linie pola magnetycznego były prostopadłe do przewodnika. W następnym doświadczeniu sprawdzimy, czy ułożenie przewodnika w polu magnetycznym ma wpływ na siłę elektrodynamiczną.

Doświadczenie 10

Powtórz poprzednie doświadczenie, zmieniając ustawienie magnesu podkowiastego, tak aby zmienił się kąt pomiędzy liniami pola magnetycznego a przewodnikiem z prądem. Co się dzieje?

Gdy linie pola magnetycznego i przewodnik są równoległe, ramka się nie wychyla.

W powyższym doświadczeniu można zauważyć, że siła elektrodynamiczna zależy od wzajemnego położenia pola magnetycznego i przewodnika z prądem. Siła ta jest największa, gdy linie pola i przewodnik tworzą kąt prosty, a najmniejsza (równa zeru), gdy są równoległe.

Widzimy więc, że siła elektrodynamiczna zależy od natężenia I prądu płynącego przez przewodnik i długości l odcinka przewodu znajdującego się w polu magnetycznym:

F \sim l \cdot I

Siła elektrodynamiczna zmienia się wraz z kątem, który tworzą linie pola magnetycznego i przewodnik. Jej wartość zależy również od właściwości pola magnetycznego. Jeśli powtórzymy doświadczenie z różnymi magnesami (większymi lub mniejszymi), to okaże się, że wychylenie „huśtawki” będzie różne. Do tej pory mówiliśmy o liniach pola magnetycznego, ale nie powiedzieliśmy nic o tym, jakich wielkości używamy do jego scharakteryzowania. Aby dokładnie opisać pole magnetyczne, używamy wektora indukcji magnetycznej \vec{B}, który definiujemy, korzystając z opisanych powyżej doświadczeń:

Ważne

Wartość wektora indukcji magnetycznej \vec{B} definiujemy jako stosunek maksymalnej wartości siły elektrodynamicznej F do długości l odcinka przewodu znajdującego się w polu i natężenia I prądu płynącego w tym przewodniku:


B = \frac{F_{maks.}}{l\cdot I}

Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (oznaczana symbolem T) :


[B] = 1 \textrm{T} = \frac{\textrm{N}}{\textrm{m} \cdot \textrm{A}}

Kierunek wektora indukcji magnetycznej jest styczny do linii pola magnetycznego.

Istotną cechą siły elektrodynamicznej jest to, że działa ona w kierunku prostopadłym do linii pola magnetycznego i prostopadłym do kierunku przepływu prądu.

Sposób wyznaczania kierunku siły elektrodynamicznej. Siła ta jest prostopadła do linii pola magnetycznego i do kierunku przepływu prądu.

[Red: Skasować wektor nad I, zmienić symbole na pisane kursywą.]

Gdy linie pola magnetycznego są prostopadłe do przewodu z prądem, kierunek działającej siły można wyznaczyć, korzystając z reguły lewej ręki. Gdy palec wskazujący skierujesz zgodnie z liniami pola magnetycznego, a palec środkowy zgodnie z kierunkiem przepływu prądu, to kciuk pokaże kierunek działania siły elektrodynamicznej.

Zjawisko występowania siły elektrodynamicznej wykorzystywane jest w silniku na prąd stały. Schemat budowy takiego silnika przedstawiono poniżej.

Schemat najprostszego silnika na prąd stały. Na umieszczoną w polu magnetycznym ramkę z prądem działają siły powodujące jej obrót.
Dzięki komutatorowi, kierunek prądu zmienia się umożliwiając obrót ramki w tę samą stronę.


Powyższy silnik na prąd stały składa się z dwóch magnesów i znajdującego się w ich polu magnetycznym przewodu w kształcie ramki. Gdy przez przewodnik płynie prąd, siły elektrodynamiczne (o zwrotach zaznaczonych na rysunku) działają na dwa prostopadłe do linii pola magnetycznego boki ramki, powodując jej obrót. Gdyby prąd płynął przez przewodnik zawsze w tym samym kierunku, to po wykonaniu co najwyżej połowy obrotu, siły zaczęłyby obracać ramkę w kierunku przeciwnym. Dlatego też, ramka podłączona jest do źródła napięcia za pomocą komutatora, który powoduje zmianę kierunku przepływu prądu co pół obrotu. Dzięki temu ramka może obracać się bez przeszkód ciągle w tę samą stronę.

Obserwowaliśmy doświadczenia, w których na umieszczony w polu magnetycznym przewodnik, po włączeniu prądu, zaczynała działać siła. Wiemy, że prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Spodziewamy się zatem, że na ładunki poruszające się w polu magnetycznym będzie działać siła. Rzeczywiście siłę taką, zwaną siłą Lorentza, obserwuje się w wielu zjawiskach.

Siła Lorentza działa na cząstki naładowane poruszające się w polu magnetycznym i sprawia, że zmieniają one tor ruchu. Zaczynają poruszać się po zakrzywionych torach. Możemy zaobserwować to na przykład w czasie pokazu z użyciem lampy elektronowej umieszczonej w polu magnetycznym. Emituje ona elektrony, które poruszają się w rozrzedzonym gazie i sprawiają, że gaz zaczyna świecić. Dzięki temu możemy zobaczyć tor ruchu elektronów. Na poniższym zdjęciu widzimy, że pod wpływem pola magnetycznego elektrony zataczają kręgi.

Elektrony poruszają się po okręgu w stałym polu magnetycznym pod wpływem siły Lorentza. Jasny okrąg to gaz świecący wzdłuż toru ruchu elektronów.

To samo zjawisko, polegające na zakrzywianiu torów naładowanych cząstek pod wpływem działającej na nie w polu magnetycznym siły Lorentza, wykorzystuje się w badaniu właściwości cząstek elementarnych w akceleratorach.

Ślady cząstek elementarnych w komorze pęcherzykowej. Cząstki naładowane pod wpływem siły Lorentza poruszają się po zakrzywionym torze, a cząstki nienaładowane poruszają się wzdłuż linii prostych.


Zdjęcie zorzy polarnej na Alasce.

Zorza polarna jest najbardziej spektakularnym przykładem oddziaływania pola magnetycznego na cząstki naładowane. Zorze występują głównie w obszarach położonych wokół biegunów magnetycznych Ziemi. Wywoływane są przez cząstki naładowane, emitowane przez Słońce, czyli przez tzw. wiatr słoneczny. Tor ruchu tych cząstek jest odchylany w ziemskim polu magnetycznym przez siłę Lorentza. Dzięki temu część z nich omija Ziemię, a część trafia do ziemskiej atmosfery w okolice biegunów i powoduje jonizację oraz świecenie gazów w górnej części atmosfery. Dolna granica zorzy znajduje się zazwyczaj na wysokości około 100 km nad powierzchnią Ziemi.


Pole magnetyczne Ziemi odchyla cząstki wiatru słonecznego. Część z nich dochodzi do atmosfery ziemskiej w okolicach biegunów magnetycznych

[Red: zaminieć "odbite" na "odchylone", i "uderzające" na "wpadające do atmosfery"]

Zorza polarna wokół bieguna południowego sfotografowana z kosmosu przez satelitę NASA IMAGE.


Zorze polarne są przyczyną silnych zakłóceń w komunikacji radiowej. Ziemskie pole magnetyczne powoduje jednak, że mają one zasięg ograniczony. Chroni nas ono również przed większością promieniowania kosmicznego. Proces zamiany biegunów ziemskich (według badań zachodzi średnio co kilkaset tysięcy lat), w okresie przejściowym — kiedy pole magnetyczne jest słabsze i nieregularne — może doprowadzić do nasilenia tych zjawisk. Z badań nie wynika jednak, aby zjawiska zachodzące w przeszłości powodowały tak poważne konsekwencje, jak na przykład wymieranie gatunków.

Pytania:
  1. Od czego zależy wartość siły elektrodynamicznej?
  2. Jak działa silnik na prąd stały?
  3. Czym jest siła Lorentza? Jakie znasz zjawiska, w których gra ona istotną rolę?

Właściwości magnetyczne materii

Doświadczenie 11

Zbliż magnes do kilku przedmiotów: stalowych spinaczy, srebrnej lub złotej obrączki, kawałków papieru, fragmentów plastiku. Co się dzieje?

Magnes nie oddziałuje na przedmioty wykonane z papieru, plastiku, srebra i złota. Przyciąga przedmioty wykonane z żelaza lub stali, na inne nie ma w zasadzie żadnego wpływu. Najłatwiejsze do zaobserwowania zjawiska związane z oddziaływaniem pola magnetycznego na materię dotyczą ferromagnetyków. Spośród pierwiastków chemicznych, poza żelazem, są to kobalt i nikiel. Gdy przedmioty wykonane z materiałów ferromagnetycznych umieścimy w polu magnetycznym, na przykład zbliżając do nich magnes lub zwojnicę z prądem, to one również stają się magnesami.

Ferromagnetyki dzielą się na: ferromagnetyki twarde, które po wyjęciu z pola magnetycznego nadal pozostają magnesami, oraz na ferromagnetyki miękkie, które nie wytwarzają pola magnetycznego. Twarde ferromagnetyki wykorzystuje się do produkcji magnesów trwałych.


Doświadczenie 12

W tym doświadczeniu sami zrobimy prosty kompas. Wykorzystamy do tego: duży magnes sztabkowy, żelazny gwóźdź, kilka spinaczy oraz lekką styropianową tackę. Na początku zbliż gwóźdź do spinaczy i sprawdź, czy się nie przyciągają. Następnie weź magnes i przeciągnij kilkakrotnie jednym z jego biegunów wzdłuż gwoździa. Sprawdź teraz, czy gwóźdź przyciąga spinacze. Im więcej razy przeciągniesz magnesem wzdłuż gwoździa, tym mocniej go namagnesujesz. Możesz to sprawdzić, podnosząc za każdym razem coraz większą liczbę spinaczy. Gdy już dobrze namagnesowałaś/eś gwóźdź, umieść go na styropianowej tacce i włóż do miski z wodą. Unoszący się na powierzchni wody gwoźdź na tacce pokaże kierunek północ-południe. Namagnesowany gwóźdź łatwo jest rozmagnesować, uderzając nim kilkakrotnie o coś twardego lub ogrzewając z dala od źródeł pola magnetycznego. Zrób to i sprawdź, czy nadal będzie przyciągał spinacze.


Innym sposobem namagnesowania ferromagnetyków jest umieszczenie ich w cewce, przez którą płynie prąd. Jednak ferromagnetyki z czasem mogą się same rozmagnesować, a wytwarzane przez nie pole będzie coraz słabsze. Dlatego do produkcji magnesów trwałych wykorzystuje się materiały, w których procesy te zachodzą najwolniej.


Właściwości magnetyczne ferromagnetyków wykorzystywane są m.in. w rdzeniach elektromagnesów. Elektromagnes to urządzenie elektryczne wytwarzające pole magnetyczne pod wpływem płynącego przez nie prądu. Zbudowany jest ze zwojów przewodnika nawiniętych w kształcie cewki. Działa jak magnes, który można włączyć lub wyłączyć poprzez podłączenie lub odłączenie od prądu. Gdy rdzeń elektromagnesu, wykonany z miękkiego ferromagnetyka, znajdzie się w polu magnetycznym cewki, staje się wówczas silnym magnesem i wielokrotnie wzmacnia pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes.


Elektromagnes zbudowany jest z cewki nawiniętej na ferromagnetyczny rdzeń.

Elektromagnesy wykorzystywane są w wielu urządzeniach: dzwonkach, głośnikach, silnikach, dźwigach elektromagnetycznych, kineskopach, a także w akceleratorach.

Schemat wyjaśniający działanie dzwonka elektrycznego.

Wykorzystanie elektromagnesu w dzwonku elektrycznym przedstawione jest na powyższym schemacie. Gdy wyłączony jest główny włącznik (oznaczony literą K), ramię dzwonka A znajduje się w pewnej odległości od klosza dzwonka B. Gdy włączymy główny włącznik, przez obwód popłynie prąd (w obwodzie znajduje się źródło napięcia U), powodując wytworzenie pola magnetycznego przez elektromagnes i przyciągnięcie ramienia dzwonka. Ruch ramienia powoduje rozłączenie styków i przerwanie obwodu elektrycznego. Prąd przestaje płynąć, elektromagnes przestaje wytwarzać pole elektromagnetyczne i przyciągać ramię dzwonka. Młoteczek, po uderzeniu w klosz dzwonka, powraca na swoje miejsce, zwierając z powrotem obwód, i cały cykl rozpoczyna się od nowa.

Zapewne interesuje Cię, jakie zjawiska leżą u podstaw ferromagnetyzmu. Aby to wyjaśnić, musimy odwołać się do informacji wykraczających poza Twoją wiedzę. Otóż atomy i cząsteczki pewnych substancji same zachowują się jak małe magnesy. Na skutek zachodzącego między nimi skomplikowanego oddziaływania grupują się w obszary zwane domenami magnetycznymi, w których wszystkie bieguny skierowane są w tę samą stronę. W stanie nienamagnesowanym domeny skierowane są w różne strony i pochodzące od nich pole magnetyczne znika na zewnątrz ferromagnetyka. Gdy ferromagnetyk namagnesujemy, wstawiając w silne zewnętrzne pole magnetyczne, wszystkie domeny ustawiają się w tę samą stronę, a ich pola magnetyczne dodają się, tworząc silny magnes.

Pytania:
  1. Jaką rolę pełni rdzeń w elektromagnesie?
  2. Jak można namagnesować kawałek żelaza?
  3. Jakie materiały nazywamy ferromagnetycznymi?

Elektromagnetyzm

Doświadczenie 13

Zbliż magnes sztabkowy do spoczywającej zwojnicy, podłączonej do czułego amperomierza. Co się dzieje?

W przeprowadzonym powyżej doświadczeniu obserwujemy, że zbliżanie magnesu do zwojnicy i oddalanie od niej, powoduje przepływ prądu w układzie. Gdy magnes spoczywa względem cewki, nawet w jej pobliżu, amperomierz nie pokazuje przepływu prądu.


Doświadczenie 14

Powtórz powyższe doświadczenie, zbliżając magnes raz szybciej a raz wolniej. Co się dzieje?

Widzimy, że natężenie prądu zależy od szybkości, z jaką przybliżamy magnes do zwojnicy. Gdy robimy to powoli, natężenie wzbudzanego prądu jest niewielkie. Gdy magnes porusza się szybciej, natężenie jest większe.


W powyższych doświadczeniach zaobserwowaliśmy, że pod wpływem zmiennego pola magnetycznego w zwojnicy wzbudzany jest prąd. Kierunek tego prądu można wyznaczyć, korzystając z reguły Lenza, zwanej też regułą przekory. Mówi ona, że wzbudzony prąd indukcyjny ma kierunek taki, aby przeciwdziałać wywołującej go zmianie pola magnetycznego. W naszym przypadku oznacza to, że wzbudzony w cewce prąd powoduje, że cewka staje się magnesem o tak rozmieszczonych biegunach, by zbliżany magnes był odpychany.


Powyższe zjawisko wykorzystywane jest w większości elektrowni do produkcji prądu elektrycznego. Energia cieplna, wiatrowa, chemiczna, jądrowa lub inna zamieniana jest w nich na energię mechaniczną turbin. Turbiny napędzają generatory, w których — na skutek względnego ruchu magnesów i przewodników — indukowany jest prąd elektryczny. Zasada działania generatora przedstawiona jest na poniższym rysunku:

Schemat najprostszego generatora. W przewodniku, poruszającym się w polu magnetycznym, generuje się prąd.

Widzimy, że jest to urządzenie bardzo podobne do silnika na prąd stały, który omówiliśmy wcześniej. W tamtym przypadku zamieniliśmy energię elektryczną na mechaniczną. Teraz chodzi nam o efekt odwrotny: chcemy energię mechaniczną zamienić na energię elektryczną.

Elektrownia wodna.

Obserwowaliśmy doświadczenia, w których prąd był wzbudzany przez zmienne pole magnetyczne. Ponieważ wiemy, że prąd to uporządkowany ruch ładunków, a ruch ładunków odbywa się pod wpływem pola elektrycznego, to możemy wyciągnąć wniosek, że to zmienne pole magnetyczne powoduje powstawanie pola elektrycznego. Może stać się również odwrotnie, czyli zmienne pole elektryczne może być źródłem pola magnetycznego. Zatem wyobraźmy sobie takie źródło, które powoduje powstanie pola zmiennego. Mamy wówczas do czynienia z szeregiem pól magnetycznych i elektrycznych rozchodzących się w przestrzeni, czyli z falą elektromagnetyczną.

Właściwości fali elektromagnetycznej silnie zależą od jej długości. Najlepiej znamy fale o długości 380-780 nm (nanometr to 10 − 9 metra), czyli światło widzialne. Fale o mniejszej długości (10-400 nm) nazywamy promieniowaniem ultrafioletowym, a fale jeszcze krótsze — promieniowaniem rentgenowskim (0,01-10 nm) i promieniowaniem gamma (<0,01 nm). Fale o większej długości niż światło widzialne to promieniowanie podczerwone (780 nm-1 mm), mikrofale (1 mm-10 cm) i fale radiowe (>10 cm). Granice między poszczególnymi typami promieniowania są umowne, więc powyższe liczby należy traktować jako przybliżone.

[Red: Dodać więcej szczegółów, RTV, UHF, mikrofalówka, rentgen, komórka]

Spectrum.svg
Pytania:
  1. Opisz w jaki sposób wytwarza się prąd w elektrowniach?
  2. Jak nazywamy fale elektromagnetyczne w zależności od ich długości? W jakich urządzeniach są one wykorzystywane?

Zadania

  1. Zadanie:
    tu treść pierwszego zadania
  2. Zadanie:
    tu treść drugiego zadania
  3. ...


Krótkie podsumowanie najważniejszych pojęć

Najważniejsze twierdzenia, fakty, wzory.