Struktura

Elektřina a magnetismus

Elektřina a magnetismus

V přírodě se vyskytují některé nerosty, které k sobě přitahují kousky oceli. Tomuto jevu říkáme magnetismus a takovým nerostům přirozené magnety. Nejznámější z nich je magnetovec. Je to železná ruda, která je v malém množství obsažena i v hoře Říp. Vlastnosti, které má přirozený magnet, můžeme snadno získat u oceli. Stačí, abychom ocelovou tyčku několikrát potřeli takovým přirozeným magnetem a je zmagnetována. Z ocelové tyčky se stal umělý magnet, který projevuje stejné silové účinky jako magnet přírodní. Tuto vlastnost si podrží trvale, a proto se tyto magnety nazývají magnety trvalé, cizím slovem permanentní. Kromě oceli přitahují magnety i tělíska z niklu a kobaltu, avšak menší silou. Tyto přitažlivé síly působí i tehdy, když vložíme mezi tělísko a magnet vložku z jiného materiálu, např. ze skla, papíru, hliníku apod. V účincích jim nebrání ani vakuum. Magnety používané v dnešní technice mají různý tvar, nejčastěji je to prstenec, tyč nebo podkova. Přirozené magnety nemají pro techniku význam. Nepoužívá se jich ani k magnetování, protože se poznalo, že tělesa lze snáze a dokonaleji zmagnetovat elektrickým proudem.

Magnetické póly

Přiblížíme-li magnet k hromádce ocelových pilinek, část se jich na něm přichytí. Podrobnější prohlídkou zjistíme, že jsou na magnetu místa, kde je pilinek nakupeno hodně, a zase naopak jiná místa, kde nejsou téměř žádné. U tyčového magnetu visí na každém jeho konci celý chomáč pilin, kdežto prostřední část je holá. Místům, kde se piliny hromadně přichycují, říkáme póly. Takové póly má každý magnet nejméně dva. Může jich být i větší počet, avšak vždy se vyskytují ve dvojicích. Zavěsíme-li tyčový magnet tak, aby se mohl volně otáčet kolem svého středu, natočí se sám tak, že jeden jeho pól ukazuje k severu a druhý k jihu. Takové uspořádání se nazývá magnetka. Póly se označují podle světových stran, k nimž směřují konce magnetky. Pólu, který ukazuje k severu, říkáme severní pól, a druhému jižní pól. Severní pól se označuje modrou barvou. Přiblížíme-li k severnímu pólu magnetky severní pól jiného magnetu, odvrací se od něho, kdežto v opačném případě, tj. přiblížíme-li severní pól k jižnímu pólu jiného magnetu, přivrací se k němu. Z toho je vidět, že dva magnety na sebe působí tak, že se jejich stejnojmenné póly odpuzují a nestejnojmenné přitahují.

Magnetka

Obr. 1: Magnetka

Magnetické pole

Přitahování a odpuzováni magnetů způsobují magnetické sily.

Prostoru, v němž se projevuji účinky magnetu, říkáme magnetické pole. V každém Jeho místě má magnetická síla určitý směr, který můžeme určit, vložíme-li tam malou magnetku. Magnetka se postaví do směru této síly. Budeme-Ii s ní pohybovat ve směru, který ukazuje, vyznačí nám její střed myšlenou čáru. Tato čára spojuje oba póly a nazývá se silová čára.  Na obrázku je tento postup znázorněn pro tyčový magnet.

Tyčový magnet

Obr. 2: Tyčový magnet

 

Silové čáry vystupuji ze severního pólu, procházejí vzduchem a vracejí se k pólu jižnímu. Vzájemně se· nikde neprotínají. Magnetické pole je nejsilnější v těch místech, kde jsou silové čáry nejvíce zhuštěny. Mezi nestejnojmennými póly, které postavíme proti sobě, probíhají všechny silové čáry rovnoběžně, odmyslíme-li si silové čáry na krajích. Takovému poli říkáme pole rovnoměrné, cizím slovem homogenní.

Homogenní magnetické pole

Obr. 3: Homogenní magnetické pole

Obrázek 3: Homogenní magnetické pole

Dobrou představu o magnetickém poli, silových čárách a jejich rozložení získáme, učiníme-li je viditelnými pomocí železných pilin. Provedeme to takto: Na magnet položíme kousek tenkého skla, např. rozbité okenní tabule, a rovnoměrně jej posypeme jemnými železnými pilinami. V magnetickém poli magnetu se z každé piliny stane drobná magnetka. Zaklepáme-li potom mírně ze strany na sklo, natočí se do směru magnetických sil a vytvoří souvislé čáry, silové čáry. Obraz magnetického pole, znázorněný pilinami, je velmi hrubý. Silové čáry na skleněné destičce představují pouze nepatrnou část z celkového počtu, které vyplňují prostor kolem magnetu. Na obrázku  je znázorněno magnetické pole tyčového magnetu, získaného popsaným způsobem.

 Magnetické pole tyčového magnetu

Obr. 4:  Magnetické pole tyčového magnetu

 

Také naše Země má své magnetické pole; je největším přirozeným magnetem. Na severu, v oblasti Arktidy, má svůj jižní pól, a na opačné straně, v Antarktidě, svůj severní magnetický pól.

Magnetické pole Země

Obr. 5: Magnetické pole Země

Póly mají tedy opačné označení než světové strany. Magnetické pole obklopující Zemi dosahuje značných výšek. Proč je Země magnetická, proč má své magnetické pole, kdežto např. Měsíc podle měření umělých družic nikoli, není známo. Přesto dovedlo lidstvo už v dávných dobách zemského magnetismu dobře využít k orientaci (magnetka).

Molekulární magnety

Představujeme si, že molekuly oceli, což jsou nejmenší částečky hmoty, na které ji lze mechanicky (např. mletím) rozdělit, jsou vlastně malé magnety. V nezmagnetované oceli jsou neurovnány, vzájemně se přitahují nebo odpuzují a zaujímají nejrůznější polohy (a). Jestliže však ocelovou tyčku vložíme do silného magnetického pole, všechny magnety se srovnají do jednoho směru; tomu říkáme, že tyč je zmagnetována (b).

Uspořádání molekul v magnetické látce

Obr. 6: Uspořádání molekul v magnetické látce

Po vyjmutí tyčky z magnetického pole se v ní toto nové uspořádání molekulárních magnetů buď zachová a stane se z ní trvalý magnet, anebo se magnety vrátí do původního neurovnaného stavu a tyčka bude opět nemagnetická. O tom, který z obou případů nastane, rozhoduje chemické složení oceli. Molekulární magnety na obrázku jsou pro názornost nakresleny hodně velké, ve skutečnosti mají nepatrné rozměry.

Tato představa o molekulárních magnetech nám vysvětluje následující jev. Rozlomíme dlouhý tyčový magnet v polovině, získáme dva nové magnety poloviční délky. V místě zlomu se objeví nové póly. Opačného znaménka než má pól na původním opačném  konci, ačkoli se tam u nerozděleného magnetu magnetické účinky vůbec neprojevovaly. Jestliže si však tyčku představíme složenou z malých molekulárních magnetů, jsou v místě zlomu na jedné straně pouze severní konce a na druhé straně pouze jižní konce magnetů. Jejich magnetické účinky se sečtou a vytvoří severní nebo jižní pól. Totéž se ovšem stane, budeme-li v dělení pokračovat. Každý nový úlomek tyče bude samostatným magnetem. 

Zdroje

Obrázky:

Kontrolní otázka

Vhodné pro žáky ZŠ

Popište jevy na obrázcích:

Stejné póly se odpuzují

Obr. 7: Stejné póly se odpuzují

Podkovový magnet

Obr. 8: Podkovový magnet

Kompas

Obr. 9: Kompas

Víte, že ...

Rozdělení materiálů podle magnetických vlastností

Látky se dělí do třech základních skupin podle velikosti. Permeabilita je fyzikální veličina, která vyjadřuje vliv určitého materiálu nebo prostředí na výsledné účinky působícího magnetického pole. Některá prostředí tyto účinky zesilují, jiná je zeslabují a existují také prostředí bez tohoto vlivu.

Druh látky Relativní permeabilita mr
diamagnetická nepatrně menší než jedna
paramagnetická nepatrně větší než jedna
feromagnetická mnohem větší než jedna

Čím jsou magnetické vlastnosti způsobeny? Velmi jednoduše řečeno, elektrony v atomech látky se pohybují, a tím kolem sebe vytvářejí magnetické pole. Tato elementární  magnetická pole se skládají a určují výsledné magnetické pole atomů, a tím vlastnosti látky.

Diamagnetické látky: elementární magnetická pole se zcela ruší, látky zeslabují magnetické pole, do kterého jsou vloženy (jsou z něho slabě vytlačovány).
Příklady: zlato, měď, rtuť, voda, inertní plyny, ...
Typická permeabilita: měď má m= 0,999 99.

Paramagnetické látky: elementární magnetická pole se ruší jen částečně, látky zesilují magnetické pole, do kterého jsou vloženy (jsou do něho slabě vtahovány). Vnějším magnetickým polem nelze atomy uspořádat tak, aby látka více zesilovala magnetické pole - tomu brání tepelný pohyb atomů.
Příklady: hliník, sodík, draslík, ...
Typická permeabilita: hliník má m= 1,000 022.

Feromagnetické látky: mají stejné atomy jako paramagnetické látky, ale ty jsou uspořádány do malých domén, které jsou souhlasně zmagnetovány. Látky značně zesilují magnetické pole, do kterého jsou vloženy (jsou do něho silně vtahovány). Po vložení do magnetického pole se zvětšuje doména , která je zmagnetována ve stejném směru, a ostatní domény se pak navíc natáčejí tak, aby jejich magn. pole souhlasilo s vnějším magn. polem. Doménová struktura nakonec zmizí - látka je magneticky nasycena. Když pak látku z magnetického pole vyndáme, látka zůstává částečně zmagnetovaná
Příklady: železo, kobalt, nikl a (nejen) jejich slitiny.
Typická permeabilita: ocel má m= 8000.

Látky feromagnetické jsou silně přitahovány k oblasti s vyšší hustotou magnetických indukčních čar – (obrázek „a“ )k jižnímu zaostřenému pólu. K témuž pólu jsou přitahovány látky paramagnetické. Na diamagnetika působí velmi slabě opačně orientovaná magnetická síla( obrázek „b“). 

Vliv indukčních čar na magnetické látky

Obr. 10: Vliv indukčních čar na magnetické látky

 

 

Logolink