Magnetické pole Zeme, zvláštna forma existencie hmoty, prispelo k vzniku a zachovaniu života. Úlomky tohto poľa, kúsky rudy priťahované železom, viedli k elektrina v službe ľudstvu. Bez elektriny by bolo prežitie nemysliteľné.
Obsah
Čo sú magnetické indukčné čiary
Magnetické pole je definované intenzitou v každom bode jeho priestoru. Krivky spájajúce body poľa rovnakých modulových napätí sa nazývajú magnetické indukčné čiary. Intenzita magnetického poľa v konkrétnom bode je silová charakteristika a na jej odhad sa používa vektor magnetického poľa B. Jeho smer v konkrétnom bode na magnetickej indukčnej čiare je k nej dotyčnicový.
Ak na bod v priestore pôsobí niekoľko magnetických polí, intenzita sa určí súčtom vektorov magnetickej indukcie každého pôsobiaceho magnetického poľa. V tomto prípade sa intenzita v konkrétnom bode sčítava modulo a vektor magnetickej indukcie je definovaný ako súčet vektorov všetkých magnetických polí.
Hoci sú magnetické indukčné čiary neviditeľné, majú určité vlastnosti:
- Predpokladá sa, že siločiary magnetického poľa vychádzajú z pólu (N) a vracajú sa z (S).
- Smer vektora magnetickej indukcie je tangenciálny k priamke.
- Napriek zložitému tvaru sa krivky nepretínajú a sú nevyhnutne skratované.
- Magnetické pole vo vnútri magnetu je homogénne a hustota čiar je maximálna.
- Bodom v poli prechádza len jedna magnetická indukčná čiara.
Smer magnetických indukčných čiar vo vnútri permanentného magnetu
Prirodzená vlastnosť niektorých kameňov priťahovať železo sa už dlho pozoruje na mnohých miestach na Zemi. V starovekej Číne sa šípky vytesané určitým spôsobom z kúskov železnej rudy (magnetického železného kameňa) časom zmenili na kompasy, ktoré ukazovali smer k severnému a južnému pólu Zeme a umožňovali orientáciu na zemi.
Výskum tohto prírodného javu ukázal, že zliatiny železa majú dlhšie silnejšie magnetické vlastnosti. Slabšie prírodné magnety sú rudy obsahujúce nikel alebo kobalt. Pri štúdiu elektriny sa vedci naučili vyrábať umelo zmagnetizované predmety zo zliatin obsahujúcich železo, nikel alebo kobalt. Na tento účel boli umiestnené do magnetického poľa vytvoreného jednosmerným elektrickým prúdom a v prípade potreby demagnetizované striedavým prúdom.
Výrobky zmagnetizované v prírode alebo umelo vyrobené majú dva rôzne póly - miesta, kde je magnetizmus najviac koncentrovaný. Magnety na seba vzájomne pôsobia pomocou magnetického poľa, takže póly rovnakého mena sa odpudzujú a póly rôznych mien sa priťahujú. To vytvára rotačné momenty pre ich orientáciu v priestore silnejších polí, napr. v poli Zeme.
Vizuálne znázornenie interakcie slabo zmagnetizovaných prvkov a silného magnetu poskytuje klasická skúsenosť s oceľovými pilinami rozptýlenými na kartóne a plochým magnetom pod ním. Najmä ak sú piliny podlhovasté, je jasne vidieť, ako sa zoraďujú pozdĺž siločiar magnetického poľa. Zmenou polohy magnetu pod kartónom sa pozoruje zmena konfigurácie ich obrazu. Použitie kompasov v tomto experimente ďalej zvyšuje účinok pochopenia štruktúry magnetického poľa.
Jednou z vlastností magnetických siločiar, ktorú objavil M. Faraday predpokladá, že sú uzavreté a spojité. Línie vychádzajúce zo severného pólu permanentného magnetu vstupujú do južného pólu. Vo vnútri magnetu však nie sú otvorené a vstupujú z južného pólu do severného. Počet čiar vo vnútri výrobku je maximálny, magnetické pole je homogénne a indukcia môže byť slabšia, keď sa odmagnetuje.
Určenie smeru vektora magnetickej indukcie pomocou pravidla vrtáka
Začiatkom 19. storočia vedci zistili, že okolo vodiča, ktorým preteká prúd, sa vytvára magnetické pole. Výsledné siločiary sa správajú podľa rovnakých pravidiel ako prírodný magnet. Okrem toho interakcia medzi elektrickým poľom vodiča s prúdom a magnetickým poľom poskytla základ pre elektromagnetickú dynamiku.
Pochopenie orientácie síl vo vzájomne sa ovplyvňujúcich poliach v priestore umožňuje vypočítať axiálne vektory:
- Magnetická indukcia;
- Veľkosť a smer indukčného prúdu;
- Uhlová rýchlosť.
Toto chápanie bolo formulované v pravidle bóraxu.
Kombináciou translačného pohybu pravého boráka so smerom prúdu vo vodiči získame smer magnetických siločiar, ktorý je určený otáčaním kľuky.
Keďže nejde o fyzikálny zákon, v elektrotechnike sa pravidlo karveru používa nielen na určenie smeru magnetických siločiar v závislosti od vektora prúdu vo vodiči, ale naopak na určenie smeru prúdu v solenoidových vodičoch v dôsledku natočenia magnetických indukčných čiar.
Pochopenie tohto vzťahu umožnilo Ampérovi zdôvodniť zákon točivého poľa, ktorý viedol k vývoju elektromotorov rôznych princípov. Všetky indukčné prístroje využívajúce indukčné cievky sa riadia pravidlom bóraxu.
Pravidlo pravej ruky
Určenie smeru prúdu, ktorý sa pohybuje v magnetickom poli vodiča (jednej strany uzavretej cievky vodičov), je jasne demonštrované pravidlom pravej ruky.
Hovorí, že ak je pravá dlaň otočená smerom k N pólu (elektrické vedenie vstupuje do dlane) a palec je vychýlený o 90 stupňov, čo ukazuje smer vodiča, potom v uzavretej slučke (cievke) magnetické pole indukuje elektrický prúd, ktorého vektor pohybu je naznačený štyrmi prstami.
Toto pravidlo ukazuje, ako pôvodne vznikli generátory jednosmerného prúdu. Nejaká prírodná sila (voda, vietor) otáčala uzavretú slučku vodičov v magnetickom poli a vytvárala elektrinu. Potom motory po prijatí elektrického prúdu v konštantnom magnetickom poli ho premenili na mechanický pohyb.
Pravidlo pravej ruky platí aj v prípade cievok induktora. Pohyb magnetického jadra v nich vytvára indukčné prúdy.
Ak sú štyri prsty pravej ruky zarovnané so smerom prúdu v cievkach cievky, potom palec vychýlený o 90 stupňov bude smerovať na severný pól.
Pravidlá bóraxu a pravidlo pravej ruky úspešne demonštrujú interakciu elektrického a magnetického poľa. Umožňujú pochopiť fungovanie rôznych zariadení v elektrotechnike takmer každému, nielen vedcom.
Súvisiace články:
