Magnetizm to fascynujące zjawisko fizyczne, które od wieków intryguje naukowców i znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia. W liceum fizyka magnetzm stanowi ważny dział, pozwalający zrozumieć podstawowe prawa rządzące oddziaływaniami magnetycznymi.
Podstawowe pojęcia
Zacznijmy od podstawowych definicji. Magnes to ciało wykazujące właściwości magnetyczne, czyli zdolność przyciągania przedmiotów wykonanych z żelaza, niklu, kobaltu i niektórych stopów. Każdy magnes posiada dwa bieguny magnetyczne: biegun północny (N) i biegun południowy (S). Istotną cechą magnesów jest to, że bieguny jednoimienne (N-N lub S-S) odpychają się, a bieguny różnoimienne (N-S) przyciągają się.
Pole magnetyczne to obszar przestrzeni, w którym działają siły magnetyczne. Jest to pole wektorowe, co oznacza, że w każdym punkcie przestrzeni ma określony kierunek i zwrot. Linie pola magnetycznego są umowne linie, które obrazują kierunek działania siły magnetycznej na biegun północny magnesu umieszczonego w danym punkcie pola. Linie te zawsze wychodzą z bieguna północnego i wchodzą do bieguna południowego (na zewnątrz magnesu). Wewnątrz magnesu linie pola magnetycznego biegną od bieguna południowego do bieguna północnego, tworząc zamknięte pętle.
Siłę, z jaką pole magnetyczne działa na poruszający się ładunek elektryczny, opisuje siła Lorentza. Jej wartość zależy od wartości ładunku (q), prędkości (v), indukcji pola magnetycznego (B) oraz kąta (α) pomiędzy wektorem prędkości a wektorem indukcji pola magnetycznego: F = qvBsin(α). Kierunek siły Lorentza jest prostopadły zarówno do wektora prędkości, jak i do wektora indukcji pola magnetycznego. Określa się go za pomocą reguły lewej dłoni (dla ładunków dodatnich) lub prawej dłoni (dla ładunków ujemnych).
Źródła pola magnetycznego
Polem magnetycznym otoczone są nie tylko magnesy trwałe. Również prąd elektryczny generuje pole magnetyczne. Związek ten opisał Hans Christian Ørsted, odkrywając, że igła kompasu ustawia się prostopadle do przewodu, w którym płynie prąd. Kierunek linii pola magnetycznego wokół przewodu z prądem określa się za pomocą reguły prawej dłoni. Jeśli chwycimy przewód prawą dłonią tak, aby kciuk wskazywał kierunek przepływu prądu, to zgięte palce pokażą kierunek linii pola magnetycznego.
Cewka, czyli zwój przewodnika, wzmacnia pole magnetyczne. Pole magnetyczne wewnątrz cewki jest silniejsze niż wokół pojedynczego przewodu, a jego kierunek można również określić za pomocą reguły prawej dłoni – tym razem zgięte palce wskazują kierunek przepływu prądu w zwojach, a kciuk wskazuje biegun północny cewki. Jeżeli wewnątrz cewki umieścimy rdzeń z materiału ferromagnetycznego (np. żelaza), to pole magnetyczne zostanie jeszcze bardziej wzmocnione. Taki układ nazywamy elektromagnesem. Elektromagnesy znajdują szerokie zastosowanie w przekaźnikach, silnikach elektrycznych, dźwigach magnetycznych i wielu innych urządzeniach.
Indukcja elektromagnetyczna
Jednym z najważniejszych zjawisk związanych z magnetzmem jest indukcja elektromagnetyczna, odkryta przez Michaela Faradaya. Polega ono na powstawaniu napięcia (siły elektromotorycznej indukcji) w obwodzie elektrycznym, w którym zmienia się strumień pola magnetycznego. Strumień pola magnetycznego (Φ) to miara liczby linii pola magnetycznego przenikających daną powierzchnię. Zmiana strumienia może być spowodowana zmianą wartości pola magnetycznego, zmianą pola powierzchni lub zmianą kąta między wektorem pola magnetycznego a wektorem normalnym do powierzchni.
Prawo indukcji Faradaya mówi, że siła elektromotoryczna indukcji (ε) jest równa szybkości zmiany strumienia pola magnetycznego: ε = -dΦ/dt. Znak minus w równaniu wynika z prawa Lenza, które mówi, że prąd indukcyjny płynie w takim kierunku, aby wytworzone przez niego pole magnetyczne przeciwdziałało zmianie strumienia pola magnetycznego, która go wywołała. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest wykorzystywane w generatorach prądu, transformatorach i wielu innych urządzeniach elektrycznych.
Przykłady zastosowań magnetzmu
Magnetzm odgrywa kluczową rolę w wielu technologiach. Oto kilka przykładów:
* Silniki elektryczne: Wykorzystują oddziaływanie pola magnetycznego wytworzonego przez magnesy lub elektromagnesy na przewody, w których płynie prąd, powodując obrót wirnika. * Generatory prądu: Wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej do przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną. Ruch obrotowy cewki w polu magnetycznym powoduje zmianę strumienia pola magnetycznego i indukowanie prądu elektrycznego. * Transformatory: Umożliwiają zmianę napięcia prądu zmiennego, wykorzystując zjawisko indukcji wzajemnej pomiędzy dwoma cewkami nawiniętymi na wspólnym rdzeniu. * Dyski twarde: Dane są zapisywane na powierzchni dysku w postaci namagnesowanych obszarów. Głowica magnetyczna odczytuje lub zapisuje dane, wykrywając lub zmieniając kierunek namagnesowania tych obszarów. * Rezonans magnetyczny (MRI): Technika obrazowania medycznego wykorzystująca silne pole magnetyczne i fale radiowe do tworzenia szczegółowych obrazów narządów wewnętrznych i tkanek. * Kompas: Igła kompasu jest namagnesowana i ustawia się zgodnie z kierunkiem ziemskiego pola magnetycznego, wskazując biegun północny geograficzny (a ściślej rzecz biorąc, biegun północny magnetyczny, który jest blisko bieguna północnego geograficznego).To tylko kilka przykładów. Magnetzm jest wszechobecny w naszym otoczeniu i odgrywa fundamentalną rolę w wielu aspektach naszego życia.
