If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Czym jest pole magnetyczne?

Dowiedz się, czym są pola magnetyczne i jak wyznaczać ich wartość oraz kierunek. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości

Czym jest pole magnetyczne?

Pole magnetyczne jest związane z pojęciem siły magnetycznej. Znajomość pola magnetycznego wokół jakiegoś obiektu (a także w jego wnętrzu) pozwala nam określić wartość siły działającej na poruszający się ładunek czy magnes umieszczony w jego otoczeniu.
Większość z Was wie już za pewno co nieco o magnetyzmie i zdaje sobie sprawę z faktu, iż dwa namagnesowane obiekty oddziałują ze sobą. Wiemy, że gdy zbliżymy do siebie dwa magnesy, w zależności od ich wzajemnego ułożenia, mogę się przyciągać (kiedy zbliżone są do siebie przeciwne bieguny) lub też odpychać (kiedy zbliżone bieguny są zgodne). Znając pole pochodzące od jednego magnesu oraz położenie drugiego, można dokładnie wyliczyć tę siłę.
Pole magnetyczne najczęściej przedstawiane jest graficznie na jeden z dwóch sposobów:
  1. Pole magnetyczne, z matematycznego punktu widzenia, jest polem wektorowym. Oznacza to, że każdemu punktowi przestrzeni przypisany jest wektor, który możemy zilustrować jako strzałkę o odpowiednim kierunku i długości. Kierunek mówi nam o tym, jak ułożyłaby się igła magnesu umiejscowionego w danym punkcie, natomiast długość jest proporcjonalna do wartości siły, która działałaby na położony tam obiekt .
    Chcąc "zobaczyć" pole magnetyczne, moglibyśmy po prostu umieścić mnóstwo malutkich kompasów dookoła badanego magnesu i obserwować ułożenie ich igieł. Musimy jednak pamiętać, iż nie dałoby nam to informacji o wartości pola (jak jest silne), a jedynie o jego kierunku.
    Rysunek 1: Wektory pola pochodzącego od prostopadłościennego magnesu.
  2. Inną metodą zilustrowania pola magnetycznego jest posłużenie się liniami pola. Zamiast rysować bardzo wiele malutkich strzałek, w tym przypadku posługujemy się ciągłymi liniami. To, jak gęsto je narysujemy, zależy od nas.
    Rysunek 2: Linie pola pochodzącego od prostopadłościennego magnesu
    Linie pola charakteryzują się następującymi własnościami:
    • Linie pola magnetycznego nigdy się nie przecinają.
  • Zagęszczenie linii pola jest większe w obszarach, gdzie pole jest silniejsze. Zatem na podstawie rysunku można odczytać wartość pola (jak jest silne) w danym punkcie.
  • Linie pola nie kończą się ani nie zaczynają w żadnym punkcie; zawsze tworzą zamknięte pętle, które przechodzą przez materiał będący źródłem pola (czasem ilustratorzy nie rysują linii wewnątrz materiału, jednak musimy pamiętać, iż pole istotnie tam występuje).
    • Aby w pełni zilustrować pole magnetyczne, konieczne jest jeszcze określenie zwrotu, w jakim kierowany jest wektor pola w danym punkcie. Zazwyczaj jest to zrobione przez narysowanie na liniach grotów strzałek. Istnieje jednak również inna metoda, wykorzystująca pojęcie biegunów. Ze względów historycznych, obszar, z którego "wychodzą" linie pola, nazywamy biegunem północnym (N, ang. north), a ten, do którego "wchodzą" - biegunem południowym (S, ang. south). W tej konwencji linie są zawsze skierowane od północy do południa. Litery "N" i "S" umieszczane są zazwyczaj na krańcach magnesu, ale jest jedynie kwestia umowna - w rzeczywistości nic nie wyróżnia tych skrajnych punktów.
    • Linie pola w rzeczywistości łatwo pokazać. Zazwyczaj robi się to, wykorzystując opiłki żelaza rozrzucone na jakiejś powierzchni (np. kartce papieru) dookoła magnesu. Każdy skrawek metalu zachowuje się jak mały magnes, z północnym i południowym biegunem (a zatem również jak igła magnesu). Opiłki samoistnie oddalają się od siebie, gdyż, będąc zgodnie namagnesowane, odpychają się nawzajem . Ostatecznie układają się one we wzór obrazujący pole magnetyczne (oczywiście końcowy efekt różni się nieznacznie, w zależności od tego, jak upadły rozsypywane opiłki, a także od ich kształtu, masy i własności magnetycznych).
      Rysunek 3: Linie pola magnetycznego zobrazowane za pomocą opiłków żelaza.

Jak mierzymy pole magnetyczne?

Ze względu na fakt, iż pole magnetyczne jest polem wektorowym, aby je w pełni opisać potrzebna jest zarówno wartość jego natężenia jak i kierunek (wraz ze zwrotem).
Kierunek pola jest stosunkowo łatwy do określenia. Wystarczy użyć kompasu — jego igła sama ustawi się w kierunku zgodnym z kierunkiem pola magnetycznego Ziemi. Magnetyczne kompasy są znane i używane w nawigacji (wykorzystując pole magnetyczne ziemi) już od XI wieku.
Mierzenie wartości pola jest nieco trudniejsze. Pierwsze magnetometry pojawiły się dopiero w XIX wieku. Większość z nich opierała się na obserwacji zachowania elektronu umieszczonego w polu magnetycznym.
Dokładne pomiary słabych pół magnetycznych stały się możliwe dopiero w 1988 roku wraz z odkryciem zjawiska gigantycznego magnetooporu, które zaobserwowano w pewnym materiałach o warstwowej budowie. Zjawisko to szybko znalazło zastosowanie w budowie dysków twardych, na których zapisywane są dane z komputerów. Rezultat był niebagatelny - pojemność dysków zwiększyła się o całe rzędy wielkości w ciągu zaledwie kilku lat od wprowadzenia nowej technologi (od ok. 0,01 do 10 Gbit/cm2 między 1991 a 2003 rokiem [2]). W 2007 Albert Fert i Peter Grünberg zostali za to odkrycie uhonorowani Nagrodą Nobla z Fizyki.
Chcąc opisać pole magnetyczne ilościowo (czyli powiedzieć, jak jest silne), musimy sprecyzować, czy mówimy od indukcji magnetycznej B czy też o natężeniu pola magnetycznego H. W systemie SI jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (symbol T, na cześć Nikoli Tesli). Wartość indukcji magnetycznej w teslach zdefiniowana jest przez wielkość siły, jaka działałaby na ładunek poruszający się w badanym polu. Wartość indukcji magnetycznej pola wytwarzanego przez przeciętne magnesy lodówkowe wynosi 0,001 T, a indukcji magnetycznej ziemskiego pola 5105 T. Inna, stosowaną czasem, jednostką, jest gaus (symbol G). Zamiana jednostkę jest bardzo prosta: 1 T=104 G. W praktyce często używa się gausów, gdyż pole o indukcji magnetycznej równej 1 tesla jest już bardzo duże i rzadko mamy do czynienia z tym rzędem wielkości.
Alternatywną dla indukcji magnetycznej B wielkością jest natężenie pola magnetycznego H. Oba, jako wektory, skierowane są wzdłuż linii pola, przy czym przyjmują inne wartości wewnątrz materiałów magnetycznych. W pewnym skomplikowanych przypadkach pojęcie H jest użyteczne, jednak dla naszych rozważań B będzie całkowicie wystarczające.

Skąd bierze się pole magnetyczne?

Źródłem pola magnetycznego są poruszające się ładunki elektryczne. Wartość pola jest tym większa, im większa jest wartość i prędkość ładunku, który je wywołuje.
Siła magnetyczna jest szczególnym przypadkiem siły elektromagnetycznej, będącej jednym z czterech rodzajów oddziaływań fundamentalnych.
Warto wyróżnić dwa charakterystyczne sposoby, w jakie poruszający się ładunek może stać się źródłem pola magnetycznego:
  1. Rozważmy prąd płynący wzdłuż przewodu podłączonego do baterii. Jeśli podłączymy silniejsza baterię (o większym napięciu), popłynie większy prąd. Wzrost prądu oznacza większy przepływ (więcej ruchu!) ładunku, a więc również pole magnetyczne zwiększy się proporcjonalnie. Natomiast jeśli będziemy się oddalać od przewodu, wartość indukcji magnetycznej będzie maleć wraz z odległością. Zależności te można wyrazić przy użyciu prawa Ampera: chcąc wyliczyć wartość indukcji magnetycznej B w odległości r od przewodu z prądem I, należy posłużyć się następującym równaniem:
B=μ0I2πr
gdzie μ0 jest stałą nazywaną przenikalnością magnetyczną próżni. μ0=4π107 Tm/A. Niektóre materiały mają naturalną tendencję zwiększania pola magnetycznego, jeśli się w takowym znajdą - mówimy, że maja one wyższą przenikalność magnetyczną.
Ponieważ pole magnetyczne w punkcie jest wektorem, poza jego wartością, należy umieć wyznaczać również kierunek. Przyjmując standardową konwencję określania kierunku przepływu prądu (przeciwny do ruchu elektronów), możemy posłużyć się regułą prawej ręki. Działa ona następująco: należy wyobrazić sobie, że chwytamy ręką przewód z prądem w taki sposób, aby kciuk wskazywał kierunek przepływu prądu. Wówczas cztery pozostałe palce wskazują zwrot powstałego wokół przewodu pola magnetycznego.
Rysunek 4: Reguła prawej ręku pozwala określić zwrot wektora indukcji pola magnetycznego (B) wywołanego przez prąd (I). [3]
  1. Przypomnijmy, że elektrony (which are charged) appear
    w pojedynczym atomie nie są nieruchome, lecz stale poruszają się wokół jądra. Właśnie ruch obrotowy (który w długim czasie nie wiąże się z transportem ładunku) jest odpowiedzialny za właściwości magnesów stałych (np. igły w kompasie). Wiemy z doświadczenia, że magnesu stałego nie da się wykonać z dowolnego materiału;to, jak silny jest magnes, jest związane z tym, z czego jest wykonany. Wpływ na magnetyczne właściwości danego materiału ma kilka czynników:
  • Mimo że atomy często posiadają bardzo wiele elektronów, większość z nich jest 'sparowana', tj. dobierają się one dwójkami, tak że pole magnetyczne generowane przez każdy z nich znoszą się wzajemnie. O takich elektronach mówimy, że maja przeciwnie skierowany spin. Aby materiał wykazywał właściwości magnetyczne, jego atomu muszą posiadać co najmniej niesparowany elektron. Np. atomy żelaza posiadają aż cztery takie elektronu, dzięki czemu żelazo bardzo silnie oddziałuje magnetycznie
    .
  • Nawet bardzo mały wycinek materiału zawiera miliardy atomów. Jeśli są ono losowo ułożone, pochodzące od nich pola magnetyczne znoszą się, mimo że każdy pojedynczy atom jako taki generuje pole (czyli nie wszystkie elektrony są sparowane). Dla większości materiałów w temperaturze pokojowej atomy istotnie ustawiają się losowo; tylko nieliczne potrafią utrzymać wszystkie atomy w zgodnym kierunku, tak, aby sumaryczne pole wzmocniło się zamiast zniwelować. Tego typu materiały nazywamy ferromagnetykami.
  • W niektórych materiałach możliwe jest uporządkowanie atomów tak, aby wytwarzały pole magnetyczne, ale tylko pod wpływem zewnętrznego pola, które "powie" atomom, jak mają się ustawić. W takim materiałach, gdy zewnętrzne pole znika, atomy wracają do całkiem losowego ustawienia i nie wytwarzają własnego pola. O takim materiałach mówimy, że są paramagnetyczne.
    Przykładem paramagnetyka jest materiał, z którego wykonane są drzwi lodówki. Pozostawione same sobie nie przejawiają one żadnych właściwości magnetycznych, jeśli jednak przyłożymy do nich jakiś inny magnes, przyczepia się on do nich - właśnie dlatego, że pod wpływem zewnętrznego pola pochodzącego od magnesu również drzwi lodówki namagnesowują się w tym miejscu - i to na tyle silnie, by móc utrzymać listę zakupów wciśniętą między jedno a drugie.

Jak zniwelować pole magnetyczne Ziemi?

Na rysunku 5 widzimy kompas umiejscowiony niedaleko pionowego przewodu z prądem (prostopadłego do płaszczyzny rysunku). Jeśli przez przewód nie płynie żaden prąd, kompas wskazuje północ, gdyż igła ustawia się wzdłuż pola magnetycznego Ziemi (którego wartość wynosi około 5105 T).
Rysunek 5: Eksperyment z przewodem i kompasem (widok z góry, brak prądu w przewodzie).
Zadanie 1a:
Jaki prąd (wartość i kierunek) jest potrzebny, aby zniwelować wpływ pola Ziemi (tj. aby kompas "nie czuł" żadnego pola)?
Zadanie 1b:
Załóżmy, że maksymalne natężenie prądu, jaki jesteśmy w stanie wygenerować w przewodzie, wynosi 1,25 A. Czy jesteśmy w stanie odpowiednio zmienić cały układ, tak, aby ten prąd był wystarczający?

Bibliografia

[1] Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200 (public domain)
[2] UK Success Stories in Industrial Mathematics. Philip J. Aston, Anthony J. Mulholland, Katherine M.M. Tant. Springer, Feb 4, 2016
[3] Plik pochodzi z Wikimedia Commons i jest udostępniony na licencji Creative Commons Uznanie Autorstwa – Na Tych Samych Warunkach (CC-BY-SA) 4.0 Międzynarodowe, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic i 1.0 Generic.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.