Magnetinis laukas
Turinys
Įvadas…………………………3
Magnetinis laukas. Ampero dėsnis……………………..3
Magnetinių laukų grafinis vaizdavimas. Kas būdinga magnetinėms linijoms?….4
Magnetinis srautas…………………………6
Magnetinio lauko stiprumas………………………..7
Medžiagų magnetinės savybės……………………….8
Darbas magnetiniame lauke. Lorenco jėga………………….8
Žemės magnetinis laukas…………………………10
Išvados…………………………11
Naudota literatūra…………………………13
1. Įvadas
Mane visuomet domino įvairūs reiškiniai (pvz., magneto galimybė pritraukti prie savęs metalinius daiktus ir pan.). Pradėjęs mokytis fizikos supratau, kad ši mokslo šaka visa tai gali paaiškinti. Todėl, atsiradus progai, nusprendžiau panagrinėti vieną temą plačiau. Taigi, mano darbo tikslas – aptarti magnetinį lauką, atskleisti jo savybes.
Išsikėliau sau tokius uždavinius:
1. Išsiaiškinti, kas yra magnetinis laukas.
2. Susipažinti su magnetinių laukų grafiniu vvaizdavimu.
3. Aptarti svarbiausias magnetinio lauko savybes bei charakteristikas.
Rašant darbą naudojausi literatūros analize.
2. Magnetinis laukas. Ampero dėsnis.
Nejudantys elektros krūviai sukuria aplink save elektrostatinį lauką, kuris veikia kitus krūvius. Erdvėje apie laidininką, kuriuo teka elektros srovė, yra sąveiką su magnetu perduodanti aplinka – magnetinis laukas. Pavyzdžiui, popieriaus savaržėlė, traukiama prie magneto, patenka į jo magnetinį lauką. ( Visi magnetai traukia geležį ir plieną, tačiau netraukia plastmasinių ar medinių daiktų ).
Jį galime rasti visur, kur yra elektros srovė, t.y. kur juda elektros krūviai. JJeigu viename magnetiniame lauke yra du laidininkai, kuriais teka elektros srovė, tai abiejų srovių magnetinio laukų sąveikos laidai veikia vienas kitą. Amperas nustatė, kad viena kryptimi tekančios srovės viena kitą traukia, o tekančios priešingomis kryptimis viena kitą stumia. Sąveikos jėgos kkryptis nusakoma kairiosios rankos taisykle (kairę ranką reikia ištiesti taip, kad magnetinės linijos eitų į delną, o pirštai rodytų dalelės greičio kryptį. Tada atlenktas nykštys rodys laidininką veikiančios jėgos kryptį.), o jėgos dydis tiesiogiai proporcingas srovių stiprumų sandaugai, laidų ilgiui ir atvirkščiai proporcingas atstumui r tarp jų.
Kai laidininku teka elektros srovė ir jis yra magnetiniame lauke, tai magnetinis laukas veikia laidininką Ampero jėga.
AMPERO DĖSNIS išreiškiamas tokia formule:
Kai laidininkas statmenas vektoriui B, tada elektromagnetinė jėga didžiausia. Kintant kampui a jėga proporcingai kinta ir tampa lygi nuliui, kai laidininkas lygiagretus lauko linijoms. Ampero jėga pagrįstas elektros variklių, matavimo prietaisų veikimas.
Kiekvienas laukas yra kito laido srovės kuriamame magnetiniame lauke:
1 pav.: kelių magnetinių laukų vaizdas
Elektros srovė teka ilgais lanksčiais laidininkais, kurių ilgis ll, srovės stipris I1 ir I2, o atstumas tarp jų r.
B1=mm0I1/2pr B2=mm0I2/2pr
Pritaikome ampero dėsnį:
F1=B2I1 lsina F2=B1I2lsina a=90°
Lygiagrečiais laidininkais tekant vienodos krypties srovėms jie vienas kitą traukia.
F1=mm0I1 I2/2pr F2=mm0I1 I2/2pr
Sąveikos jėgos tarp laidininkų yra vienodo modulio ir priklauso nuo aplinkos, srovės stiprio, vielos ilgio ir atstumo tarp jų. Tuo remiantis nusakytas ir ampero apibrėžimas: amperas – jeigu dviem laidais tekės 1A stiprio elektros srovė, atstumas tarp
laidininko 1m, tai laidininko ilgio vienetą veiks vakuume jėga.
I1=I2=I m=1, r=1m, l=1m, F=
Sustatę įį formulę gausim I=1A
Erstedas įrodė, kad laidininku tekanti srovė veikia magnetinę rodyklę, bet ne traukia ar stumia, o pasuka, kad ji būtų statmena krypčiai. Pakeitus srovės kryptį magnetinė rodyklė pasisuka į priešingą pusę.
Tiesiu laidininku tekanti srovė kuria simetrišką magnetinį lauką, kurio stiprumas nuotolyje r nuo laidininko yra H=I/2pr. Kai laidas sulenktas apskritimu magnetinio lauko stiprumas to apskritimo centre yra H=I/2r (r – apskritimo spindulys).
3. Magnetinių laukų grafinis vaizdavimas. Kas būdinga magnetinėms linijoms?
Magnetinį, kaip ir elektrinį lauką, galima pavaizduoti jėgų linijomis. Magnetinio lauko linija – tai bet kokia kreivė, kurios liestinė bet kokiame taške sutampa su magnetinės indukcijos B kryptimi tame taške. Per kiekvieną ploto vienetą brėžiame tiek jėgų linijų, kokia yra indukcijos B skaitinė reikšmė.
Magnetinio lauko kryptimi susitarta laikyti kryptį, kurią rodo magnetinės rodyklės šiaurinis polius. Šių linijų tankis rodo magnetinio lauko intensyvumą.
Magnetinis laukas, kurio kryptis ir intensyvumas visuose taškuose vienodi, vadinamas vienalyčiu.
Magnetinių laukų linijoms būdinga:
1. Jos niekur nesikerta.
2. Yra uždaros kreivės, juosiančios laidininką, kuriuo teka elektros srovė.
3. Išsidėto statmenose laidininkui plokštumose.
Svarbi magnetinės indukcijos linijų ypatybė – jos neturi nei pradžios, nei pabaigos: visada yra uždaros arba ateina iš begalybės ir nueina į ją. Todėl magnetinis laukas yra sūkurinis (t.y. jo linijos uždaros). Šis laukas skiriasi nuo elektrinio lauko, nes pastarojo llinijos nėra uždaros, nes prasideda teigiamu ir baigiasi neigiamu krūviu.
Pagrindinė magnetinio lauko charakteristika yra magnetinė indukcija B. Elektromagnetinė indukcija – tai toks reiškinys kai bet koks kintamas magnetinis laukas indukuoja evj, o uždarame kontūre ir elektros srovę. Magnetinės indukcijos vienetu tesla laikoma jėga, kuria magnetinis laukas veikia laidininko statmeno magnetiniam laukui ilgio vieneto elementą, kai juo teka 1A srovė, veikianti 1 N*m sukamuoju momentu:
[B]=T(tesla) 1T=1N/1*A²
dF^dl
Susikūrusi indukcinė srovė visuomet yra tokios krypties, kad jos sukurtas magnetinis laukas priešintųsi indukuojančio magnetinio lauko kitimui. Tai Lenco dėsnis.
Vektorius B visada nukreiptas indukcijos linijos liestine tame lauko taške.
Elektros srovės sukurto magnetinio lauko indukcija priklauso nuo srovės stiprumo, laidininko formos, jo matmenų, atstumo nuo laidininko ir aplinkos, kurioje jis yra, magnetinių savybių.
Maksvelas nustatė, kad indukcijos evj apytiksliai lygi magnetinio srauto kitimo greičiui:
;
Magnetinė indukcija – vektorinis dydis, jo kryptis sutampa su magnetinio lauko stiprumo kryptimi. Kiekviename lauko taške magnetinės indukcijos vektoriaus kryptis sutampa su einančios per tą tašką magnetinio lauko linijos liestine. Magnetinio lauko linijos vadinamos dar magnetinės indukcijos linijomis.
Tiesiu laidininku tekančios elektros srovės sukurto magnetinio lauko vektoriaus B kryptis nusakoma dešiniojo sraigto taisykle: kai sraigto smigimo kryptis sutampa su elektros srovės tekėjimo kryptimi, tai jo galvutės sukimosi kryptis rodo indukcijos linijų kryptį.
Dešinės rrankos taisyklė: Jeigu dešine ranka apimsime laidininką taip, kad ištiestas nykštys rodytų srovės kryptį, tai pirštai rodys magnetinio lauko linijų kryptį
Kai elektros srovė teka vija ar rite, tai dešiniojo sraigto taisyklė nusakoma kitaip: sraigto galvutę sukant srovės tekėjimo kryptimi, jis pats sminga indukcijos linijų vijos ar ritės viduje kryptimi. Todėl vektorius B įeina į tą ritės galą, į kurį žiūrint elektros srovė teka pagal laikrodžio rodyklę.
Ritės magnetinis laukas panašus į tiesaus magneto lauką: indukcijos linijos išeina iš šiaurinio poliaus ir sueina į pietinį polių.
Ritė, kurios ilgis l yra daug didesnis už jos vijų spindulį R, vadinama solenoidu. Solenoide B linijos lygiagrečios, jų tankis vienodas, o magnetinis laukas vienalytis. Solenoido magnetinis laukas panašus į pastoviojo magneto. Ritės galas, iš kurio išeina jėgų linijos, yra šiaurinis magneto polius, o kitas – pietinis.
Paleidus srovę tokia rite, magnetinis laukas, kurį sukuria vijomis tekanti srovė, susidaro susiliejus magnetiniams laukams, kuriuos sukūrė atskirose vijose tekančios srovės. Jeigu ritės ilgis žymiai didesnis už vijų skersmenį, tai ritės viduje susidaro magnetinis laukas.
4. Magnetinis srautas
Magnetinės indukcijos B ir jai statmeno paviršiaus ploto S sandauga vadinama magnetiniu srautu F.
SI vienetų sistemoje magnetinio srauto vienetas yra veberis – tai tokio dydžio magnetinis srautas, kuris kerta statmenai
1m² ploto kontūrą esant 1T magnetiniai indukcijai:
[F]= Wb
1T*1m²=1Wb
F=BS
Uždarą kontūrą kerta magnetinis laukas, kurio indukcija B. Statmuo išvestas į kontūrą, vadinamas normale n:
a B
S
Magnetinis srautas, kertantis šį kontūrą, lygus:
F=BScosa
Magnetinis srautas parodo, kiek magnetinių linijų statmenai kerta visą plotą.
Kai magnetinis laukas kontūrą kerta statmenai, tai:
F=BS
Kai magnetinis laukas kontūrą kerta išilgai,
F=0
5. Magnetinio lauko stiprumas
Magnetiniam laukui aprašyti naudojama dar viena charakteristika – magnetinio lauko stipris H.
Stiprėjant tekančiai laidininku srovei proporcingai didėja magnetinio lauko intensyvumas, t.y. didėja jėga F, kuria ssrovės magnetinis laukas veikia magnetinę rodyklę ar laidininką, kuriuo teka elektros srovė. Jėga priklauso nuo laiko taško padėties. Pvz.: tiesiu laidininku tekančios srovės magnetiniame lauke jėgai F tolstant nuo to laido, magnetinis laukas proporcingai mažėja. Tos pačios linijos taškuose jėga F vienoda. Remiantis šia išvada įvedama magnetinio lauko stiprumo sąvoka – srovės kuriamo magnetinio lauko stiprumas H. Tai dar viena charakteristika, naudojama magnetiniam laukui aprašyti:
H =I/ l
I – srovės stiprumas,
l – magnetinės linijos ilgis
H – vektorinis dydis:
[H]=A/m
H vakume: <
H=B/m0
Vektoriaus H kryptis sutampa su magnetinio lauko linijos kryptimi. Vektorius H yra nukreiptas išilgai lauko linijos liestinės į tą pusę, kurią rodo magnetinės rodyklės šiaurinis polius.
Tekant elektros srovei rite, sudaryta iš n vijų, magnetinio lauko stiprumas jos viduje:
H=In/l
l &– ritės ilgis
6. Medžiagų magnetinės savybės
Ore magnetinio lauko jėga 1.00000038 karto didesnė negu vakuume. Kai kurios medžiagos labai pakeičia magnetinio lauko intensyvumą. Magnetiniame lauke jos pačios daugiau ar mažiau įsimagnetina t.y. sukuria savo magnetinį lauką. Labiausiai įsimagnetinančios medžiagos vadinamos feromagnetikais: Fe, Ni, Co, Cr ir kt.
Medžiagos gabėjimą įsimagnetinti nusako magnetinė skvarba m. Magnetinė skvarba – tai skaičius, rodantis kiek kartų jėga, kuria magnetinis laukas veikia magnetinę rodyklę arba laidininką, kuriuo teka srovė, toje medžiagoje yra didesnė negu vakuume.
Neferomagnetinės medžiagos praktiškai neturi įtakos magnetiniam laukui, todėl techniniuose skaičiavimuose magnetinė skvarba laikoma 1.
Feromagnetinės medžiagos daug kartų padidina srovės magnetinio lauko jėgą, todėl naudojama gaminant elektromagnetus, elektros variklius, generatorius, transformatorius.
Magnetinės medžiagų savybės susijusios su atomų bei molekulių viduje cirkuliuojančiom elektros ssrovėmis. Apie branduolį skriejantys elektronai sudaro uždaras elektros sroves, kurios kuria savus magnetinius laukus (magnetinius ir molekulinius). Paramagnetikų m>1, diamagnetikų m<1, feromagnetikų m>1
7. Darbas magnetiniame lauke. Lorenco jėga
Laidininką, kuriuo teka srovė, magnetinis laukas veikia jėga:
F=BIl
Kai laidininkas pasislinko jėgos kryptimi atstumu b, buvo atliktas darbas.
Darbas, atliekamas judant magnetiniame lauke laidininkui, kuriuo teka elektros srovė, yra lygus tos srovės stiprumo ir magnetinio srauto, kurį kerta laidininkas, pokyčio sandaugai:
Darbą grafiškai vaizduoja stačiakampio plotas:
I
A F
Lorenco jėga (FL) – tai jėga, veikianti judančią įįelektrintą dalelę magnetiniame lauke:
FL^B ir v
Ampero jėga, kuria magnetinis laukas veikia laidininką, kai juo teka srovė, veikia ne patį laidininką, o juo judančias elektringas daleles. Dalelės, judėdamos ir susidurdamos su medžiagos atomais, patraukia su savimi laidininką.
Lorenco formulė taikoma bet kokiai magnetiniam lauke judančiai daleliai.
Išvados:
· Nejudančio elektros krūvio magnetinis laukas neveikia FL=0
· Jeigu dalelė juda išilgai lauko linijų (a=0°), tai FL=0
· Didžiausia jėga laukas veikia dalelę tada, kai pastaroji juda statmenai lauko linijoms (a=90°).
Elektringa dalelė įlėkė į magnetinį lauką statmenai jo linijoms. Lorenco jėga statmena dalelės greičiui. Jėga nekeičia greičio didumo, o keičia tik greičio kryptį – suteikia dalelei įcentrinį pagreitį, verčia ją judėti apskritimu.
Kuo didesnis dalelės krūvis arba magnetinio lauko indukcija, tuo kreivumo spindulys mažesnis, magnetinis laukas iškreipia dalelės trajektoriją.
Lorenco jėgos pritaikymas. Judančios magnetiniame lauke dalelės nukrypimas nuo tiesaus kelio priklauso nuo jos masės. Tuo nustatomas elektringų dalelių masės. Prietaisas – masių spektrografu. Spektrografu atskiriami ir ištiriami izotopai, buvo nustatyta elektrono, protono masės. Lorenco jėgos veikimu pagrįsta ciklotrono konstrukcija. Šis prietaisas skirtas elektringoms dalelėms įgreitinti iki didelių energijų, reikalingų branduolinėms reakcijoms sukelti. Dalelės skrieja ciklotrono magnetiniame lauke spiraline trajektorija, didėjant greičiui, didėja trajektorijos spinduliu. Sudėtingesnių konstrukcijų greitintuvais sinchrociklotronais, sichrofazotronais prasiskverbiama į materiją. Lorenco jėga valdo dalelių judėjimą elektroniniuose vamzdžiuose, eelektroniniuose mikroskopuose ir kt.
8. Žemės magnetinis laukas
Per Žemės magnetinius polius išvesti apskritimai vadinami magnetiniais dienovidiniais (magnetiniais meridianais).
Žemės magnetinio lauko elementai: Žemės magnetinio lauko stiprumas, magnetinė deklinacija ir inklinacija.
Magnetinė deklinacija – tai kampas tarp geografinio ir magnetinio dienovidinių bet kuriam Žemės paviršiaus taške.
Magnetinė inklinacija – tai magnetinės rodyklės nuokrypio nuo horizontalios plokštumos kampas. Jų vertės atsispindi magnetinuose žemėlapiuose. Jie vartojami jūrų ir oro navigacijoje, geologijoje.
Magnetinės anomalijos sritis – žemės paviršiuje aptinkama vietų, kur magnetinė rodyklė visą laiką būna nukrypusi nuo tai vietai normalios krypties. Priežastis: negiliai slūgsantys milžiniški geležies rūdos klodai.
Elektringas daleles, skriejančias iš kosmoso link Žemės, pagauna Žemės magnetinis laukas, ir jos ima skrieti spirale apie magnetines linijas. Dėl to jos susikaupia tam tikrose srityse – radiacijos juostose. Žemę supa dvi juostos: vidinė – 2400km aukštyje, išorinė – 12000km.
Žemės magnetinis laukas padeda orentuotis gyviems organizmams erdvėje, suvokti laiką, rasti kelią migruojantiems paukščiams, žuvims. Kai kurių augalų šaknys išsidėsto išilgai magnetinių linijų.
Magnetizmo jėga yra nematoma, tačiau galima stebėti jos poveikį, kai magnetas pritraukia metalo gabalą. Medžiaga, traukianti metalą geležį, vadinama magnetu. Medžiagos, kurias traukia magnetas, vadinamos magnetinėmis. Kiekvienas magnetas turi du polius – vietas, prie kurių susikaupia magnetiniai krūviai. Pati Žemė yra milžiniškas magnetas; jos magnetiniai poliai yra greta geografinių ŠŠiaurės ir Pietų polių. Vienas magneto polius yra traukiamas Žemės šiaurinio magnetinio poliaus ir vadinamas šiauriniu magneto poliumi; kitas – traukiamas pietinio poliaus ir vadinamas pietiniu magneto poliumi. Medžiagos, visą laiką pasižyminčios magnetizmu, vadinamos nuolatiniais magnetais. Apvijomis tekanti elektros srovė sukuria magnetą, vadinamą elektromagnetu, kurį galima įjungti ir išjungti. Elektromagnetai naudojami elektros varikliuose, garsiakalbiuose ir daugelyje kitokių prietaisų.
Vieno magneto šiaurinis polius ir pietinis kito magneto polius traukia vienas kitą.
Magnetinis polius, pavyzdžiui, pietinis, stumia nuo savęs kitą tos pačios rūšies polių.
Žemė sukuria magnetinį lauką, ir atrodo, tarsi jos viduje būtų didžiulis magnetinis ,,strypas‘‘. Elektros srovės, cirkuliuojančios skystame geležiniame Žemės branduolyje, sukuria Žemės magnetizmą, vadinamą geomagnetizmu.
Žemė turi stiprų magnetinį lauką. Dar Gilbertas manė, kad Žemė yra didelis magnetas, tačiau aukštoje temperatūroje magnetinės savybės dingsta. Žemei sukantis apie savo ašį, jos mantija su kietąja pluta sukasi šiek tiek greičiau negu vidinis branduolys. Viduje yra karšta plazma, todėl tekanti srovė sukuria magnetinį lauką. Žemės magnetinė ašis yra pasvirusi apie 110 į geografinę ašį. Be to magnetinė ašis eina ne per Žemės centrą. Dabar pietinis polius, traukiantis šiaurinį kompaso rodyklės polių, yra prie karalienės Elžbietos salų, Kanados šiaurėje, apie 1600 km nuo šiaurės ašigalio. Magnetiniai poliai kinta, matyt, dėl sūkurių Žemės gelmėse. Per
pastaruosius 100 metų laukas susilpnėjo 2.5% ir poliai pasislinko apie 200 km. Iš uolienų iškasenų žinome, kad poliai retkarčiais susikeičia vietomis. Paskutinis toks susikeitimas vyko prieš 700000 metų. Žemės gelmės lemia apie 90% lauko stiprio. Likusius 10% lemia Saulės spinduliuojamų elektringų dalelių srautai ir įmagnetėjusios uolienos. Žemės magnetinis laukas apsaugo nuo elektringų dalelių srautų. Dėl Saulės poveikio Žemės magnetosfera yra ištęsto lašo formos.
9. Išvados
1. Magnetinis laukas – erdvėje apie laidininką, kuriuo teka elektros srovė, sąveiką su magnetu perduodanti aplinka.
Magnetinį llauką galime rasti visur, kur yra elektros srovė, t.y. kur juda elektros krūviai. Jeigu viename magnetiniame lauke yra du laidininkai, kuriais teka elektros srovė, tai abiejų srovių magnetinio laukų sąveikos laidai veikia vienas kitą. Viena kryptimi tekančios srovės viena kitą traukia, o tekančios priešingomis kryptimis viena kitą stumia.
2. Magnetinį, kaip ir elektrinį lauką, galima pavaizduoti jėgų linijomis. Magnetinio lauko linija – bet kokia kreivė, kurios liestinė bet kokiame taške sutampa su magnetinės indukcijos B kryptimi tame taške.
Svarbi magnetinės indukcijos llinijų ypatybė – jos neturi nei pradžios, nei pabaigos: visada yra uždaros arba ateina iš begalybės ir nueina į ją. Todėl magnetinis laukas yra sūkurinis (t.y. jo linijos uždaros). Šis laukas skiriasi nuo elektrinio lauko, nes pastarojo linijos nėra uždaros, nnes prasideda teigiamu ir baigiasi neigiamu krūviu.
3. Pagrindinė magnetinio lauko charakteristika yra magnetinė indukcija B. Magnetinės indukcijos B ir jai statmeno paviršiaus ploto S sandauga vadinama magnetiniu srautu F.
Magnetiniam laukui aprašyti naudojama dar viena charakteristika – magnetinio lauko stipris H. Iš jo išvedama sąvoką – magnetinio lauko stiprumas. Tai dar viena charakteristika, naudojama magnetiniam laukui aprašyti:
10. Naudota literatūra:
Ambrasas, V. Fizikos pagrindai. – Kaunas: “Šviesa”, 1990
Fizikos vadovėlis 11 kl.
Karazija, R. Fizika humanitarams. – Vilnius: TEV, 1996
