Magnetické pole Země, zvláštní forma existence hmoty, přispělo ke zrodu a zachování života. Úlomky tohoto pole, kousky rudy přitahované železem, vedly k tomu. elektřina ve službách lidstva. Bez elektřiny by bylo přežití nemyslitelné.
Obsah
Co jsou magnetické indukční čáry
Magnetické pole je definováno intenzitou v každém bodě jeho prostoru. Křivky spojující body pole o stejných modulových napětích se nazývají magnetické indukční čáry. Intenzita magnetického pole v určitém bodě je silová charakteristika a k jejímu odhadu se používá vektor magnetického pole B. Jeho směr v určitém bodě magnetické indukční čáry je k ní tečný.
Pokud na bod v prostoru působí několik magnetických polí, určí se intenzita součtem vektorů magnetické indukce každého působícího magnetického pole. V tomto případě se intenzita v určitém bodě sčítá modulo a vektor magnetické indukce je definován jako součet vektorů všech magnetických polí.
Přestože jsou magnetické indukční čáry neviditelné, mají určité vlastnosti:
- Předpokládá se, že siločáry magnetického pole vycházejí z pólu (N) a vracejí se z (S).
- Směr vektoru magnetické indukce je tečný k přímce.
- Navzdory složitému tvaru se křivky neprotínají a jsou nutně zkratované.
- Magnetické pole uvnitř magnetu je homogenní a hustota čar je maximální.
- Bodem v poli prochází pouze jedna magnetická indukční čára.
Směr magnetických indukčních čar uvnitř permanentního magnetu
Přirozená vlastnost některých kamenů přitahovat železo byla již dlouho pozorována na mnoha místech na Zemi. Ve starověké Číně se střely vytesané určitým způsobem z kusů železné rudy (magnetického železného kamene) časem proměnily v kompasy, které ukazovaly směr k severnímu a jižnímu pólu Země a umožňovaly orientaci na zemi.
Výzkum tohoto přírodního jevu ukázal, že slitiny železa mají po delší dobu silnější magnetické vlastnosti. Slabšími přírodními magnety jsou rudy obsahující nikl nebo kobalt. Při studiu elektřiny se vědci naučili vyrábět uměle zmagnetizované předměty ze slitin obsahujících železo, nikl nebo kobalt. Za tímto účelem byly vloženy do magnetického pole vytvořeného stejnosměrným elektrickým proudem a v případě potřeby odmagnetovány střídavým proudem.
Výrobky zmagnetizované v přírodě nebo uměle vyrobené mají dva různé póly - místa, kde se magnetismus nejvíce koncentruje. Magnety na sebe vzájemně působí pomocí magnetického pole, takže póly stejného jména se odpuzují a póly různých jmen se přitahují. To vytváří rotační momenty pro jejich orientaci v prostoru silnějších polí, např. pole Země.
Vizuální představu o interakci slabě zmagnetizovaných prvků a silného magnetu poskytuje klasická zkušenost s ocelovými pilinami rozptýlenými na kartonu a plochým magnetem pod ním. Zejména pokud jsou piliny podlouhlé, je jasně vidět, jak se řadí podél siločar magnetického pole. Změnou polohy magnetu pod lepenkou je pozorována změna konfigurace jejich obrazu. Použití kompasů v tomto experimentu dále zvyšuje efekt pochopení struktury magnetického pole.
Jednou z vlastností magnetických siločar, kterou objevil M. Faraday předpokládá, že jsou uzavřené a spojité. Čáry vycházející ze severního pólu permanentního magnetu vstupují do jižního pólu. Uvnitř magnetu však nejsou otevřené a vstupují z jižního pólu do severního. Počet čar uvnitř výrobku je maximální, magnetické pole je homogenní a indukce může při demagnetizaci zeslábnout.
Určení směru vektoru magnetické indukce pomocí pravidla vrtáku
Na počátku 19. století vědci zjistili, že kolem vodiče, kterým protéká proud, vzniká magnetické pole. Výsledné siločáry se chovají podle stejných pravidel jako přírodní magnet. Navíc interakce mezi elektrickým polem vodiče s proudem a magnetickým polem poskytla základ pro elektromagnetickou dynamiku.
Porozumění prostorové orientaci sil ve vzájemně se ovlivňujících polích umožňuje výpočet osových vektorů:
- Magnetická indukce;
- Velikosti a směry indukčního proudu;
- Úhlová rychlost.
Toto chápání bylo formulováno v pravidle o boraxu.
Kombinací translačního pohybu pravého borháku a směru proudu ve vodiči získáme směr magnetických siločar, který udává otáčení kliky.
Protože nejde o fyzikální zákon, používá se v elektrotechnice pravidlo řezáku nejen k určení směru magnetických siločar v závislosti na vektoru proudu ve vodiči, ale naopak k určení směru proudu v solenoidových vodičích v důsledku natočení magnetických indukčních čar.
Pochopení tohoto vztahu umožnilo Ampérovi zdůvodnit zákon točivého pole, který vedl k vývoji elektromotorů různých principů. Všechny indukční přístroje využívající indukční cívky se řídí pravidlem boraxu.
Pravidlo pravé ruky
Určení směru proudu, který se pohybuje v magnetickém poli vodiče (jedné strany uzavřené cívky vodičů), jasně ukazuje pravidlo pravé ruky.
Říká, že když je pravá dlaň otočena směrem k pólu N (elektrické vedení vstupuje do dlaně) a palec vychýlený o 90 stupňů ukazuje směr vodiče, pak v uzavřené smyčce (cívce) magnetické pole indukuje elektrický proud, jehož vektor pohybu je naznačen čtyřmi prsty.
Toto pravidlo ukazuje, jak původně vznikly generátory stejnosměrného proudu. Nějaká přírodní síla (voda, vítr) otáčela uzavřenou smyčkou vodičů v magnetickém poli a vytvářela elektřinu. Motory pak po přijetí elektrického proudu v konstantním magnetickém poli tento proud přeměnily na mechanický pohyb.
Pravidlo pravé ruky platí i v případě cívek induktoru. Pohyb magnetického jádra v nich vytváří indukční proudy.
Pokud jsou čtyři prsty pravé ruky v jedné přímce se směrem proudu v závitech cívky, pak palec vychýlený o 90 stupňů bude směřovat k severnímu pólu.
Pravidla boraxu a pravidla pravé ruky úspěšně demonstrují interakci elektrického a magnetického pole. Zpřístupňují pochopení fungování různých zařízení v elektrotechnice téměř každému, nejen vědcům.
Související články:
