Magnetizmas

Šiam straipsniui ar jo daliai trūksta išnašų į patikimus šaltinius. Jūs galite padėti Vikipedijai pridėdami tinkamas išnašas su šaltiniais.

Magnetizmas – fundamentalusis fizikos reiškinys, pasireiškiantis magnetine sąveika. Magnetinė sąveika atsiranda tarp judančių elektros krūvių, o makroskopinė šio fakto apraiška yra, pvz., magnetų, įmagnetintų medžiagų ir laidininkų, kuriais teka elektros srovė, sąveika. Šios sąveikos jėgos vadinamos magnetinėmis jėgomis.

Magnetizmas yra elektromagnetizmo – vienos iš keturių fundamentalių sąveikų fizikoje – dalis.

Pagrindiniai magnetizmo dėsniai ir sąvokos

Magnetizmą sudaro eksperimentiškai patvirtinti ir iš jų išvesti kiti dėsniai, naudojami praktiniams uždaviniams spręsti.

Magnetinis laukas

Magnetinis laukas yra materijos forma, kuria sklinda magnetinės sąveikos. Panašiai kaip ir elektrinis laukas, jis vaizduojamas jėgų linijomis laikantis tokių taisyklių:

• jų tankis proporcingas magnetinio lauko indukcijai
• jos yra uždaros
• jų kryptis rodo magnetinio lauko kryptį.

Dviejų krūvių magnetinės sąveikos jėga:

${\displaystyle {\vec {F}}_{m}={\frac {\mu _{0}q_{1}q_{2}\left({\vec {v}}_{2}\times \left({\vec {v}}_{1}\times {\vec {r}}\right)\right)}{4\pi {r^{3}}}}}$

Magnetinio lauko indukcija. Bio-Savaro dėsnis

Magnetinio lauko indukcija ${\displaystyle {\vec {B}}}$ atitinka elektrinio lauko stiprį ${\displaystyle {\vec {E}}}$ ir apibūdina magnetinio lauko intensyvumą konkrečiame jo taške. Magnetinio lauko indukcija konkrečiame jo taške priklauso nuo tą lauką sukūrusio krūvio dydžio ${\displaystyle q\;}$, judėjimo greičio ${\displaystyle {\vec {v}}}$ ir atstumo nuo to krūvio iki to taško ${\displaystyle {\vec {r}}}$:

${\displaystyle {\vec {B}}={\frac {\mu _{0}q\left({\vec {v}}\times {\vec {r}}\right)}{4\pi {r^{3}}}}}$

Magnetinė indukcija iš tradicijos apibrėžiama kaip didžiausia jėga, veikianti vienalyčiame lauke esančio tiesaus laidininko ilgio vienetu tekančią vienetinę srovę:

${\displaystyle B={\frac {F_{\text{max}}}{Il}}}$

ir matuojama teslomis

${\displaystyle \left[B\right]={\frac {1\mathrm {N} }{1\mathrm {A} \cdot 1\mathrm {m} }}=1\mathrm {T} }$

Labai dažnai svarbiau žinoti, kokios indukcijos magnetinį lauką kuria ne pavienis krūvis, bet realus laidininkas, kuriuo teka elektros srovė – pavienių krūvių srautas.

Tai nusako Bio-Savaro dėsnis, susiejantis indukcijos ${\displaystyle {\vec {B}}}$ diferencialą su srovės elementu ${\displaystyle I\mathrm {d} {\vec {l}}}$:

${\displaystyle \mathrm {d} {\vec {B}}={\frac {\mu _{0}I\left(\mathrm {d} {\vec {l}}\times {\vec {r}}\right)}{4\pi {r^{3}}}}}$

Integruojant galima apskaičiuoti bet kokios formos laidininko kuriamą indukciją.

Magnetinio lauko indukcijai galioja superpozicijos principas: jeigu magnetinį lauką kuria keli krūviai, tai magnetinė indukcija konkrečiame erdvės taške lygi kiekvieno krūvio kuriamo magnetinio lauko indukcijų tame taške sumai:

${\displaystyle {\vec {B}}=\sum _{i}{\vec {B_{i}}}}$

Lorenco jėga

Kita esminė magnetizmo sąvoka – Lorenco jėga.

Panašiai, kaip ir elektrostatikoje, dažnai dviejų krūvių sąveika per lauką pakeičiama vieno krūvio ir lauko, sukurto antrojo krūvio, sąveika. Jėga, veikianti krūvį ${\displaystyle q\;}$, judantį greičiu ${\displaystyle {\vec {v}}}$ magnetiniame lauke, kurio magnetinė indukcija ${\displaystyle {\vec {B}}}$, vadinama Lorenco jėga ir lygi

${\displaystyle {\vec {F}}_{L}=q\left({\vec {v}}\times {\vec {B}}\right)}$

Ampero jėga

Dažnai svarbu žinoti, kokia jėga veikiamas ne pavienis krūvis, bet realus laidininkas, kuriuo teka elektros srovė.

Jėga, veikianti srovės elementą ${\displaystyle I\mathrm {d} {\vec {l}}}$, esantį magnetiniame lauke, kurio magnetinė indukcija ${\displaystyle {\vec {B}}}$, vadinama Ampero jėga ir lygi

${\displaystyle \mathrm {d} {\vec {F}}_{A}=I\left(\mathrm {d} {\vec {l}}\times {\vec {B}}\right)}$

Integruojant galima apskaičiuoti jėgą, veikiančią bet kokios formos magnetiniame lauke esantį laidininką, kuriuo teka srovė.

Ampero dėsnis

Ampero dėsnis susieja magnetinio lauko indukcijos cirkuliaciją uždaru kontūru L su to kontūro ribojamą plotą kertančių srovių suminiu stipriu:

${\displaystyle \oint _{L}{\vec {B}}\mathrm {d} {\vec {l}}=\mu _{0}\sum _{i}I_{i}}$

Tai Gauso dėsnio elektrinio lauko atveju atitikmuo. Kartais šis dėsnis dar vadinamas magnetinės indukcijos cirkuliacijos teorema. Ampero (kaip ir Bio-Savaro) dėsniu galima pasinaudoti realaus laidininko kuriamo magnetinio lauko indukcijai apskaičiuoti.

Pastaba: Ampero dėsnyje turima omenyje algebrinė srovių suma: kontūro plotą iš viršaus į apačią kertančias sroves reikia imti su vienu ženklu, o iš apačios į viršų – su priešingu ženklu.

Magnetinės linijos

Magnetinės, arba magnetinio lauko jėgų linijos − tai linijos, išilgai kurių magnetiniame lauke išsidėsto magnetinės rodyklėlės. Jei laidininką, kuriuo teka elektros srovė, apimtume dešine ranka taip, kad nykštys rodytų srovės kryptį, tai kiti keturi pirštai rodys magnetinių linijų kryptį.

Magnetinis laukas medžiagose

Magnetinį lauką kuria judantys krūviai. Tačiau eksperimentuojant buvo pastebėta, kad magnetinis laukas įvairiose medžiagose pakinta, t. y. sustiprėja arba susilpnėja. Šis išorinio magnetinio lauko pasikeitimas medžiagos viduje vadinamas tos medžiagos įmagnetėjimu, o medžiagos, galinčios įmagnetėti – magnetikais.

Pagal savo magnetines savybes magnetikai skirstomi į tris pagrindines grupes: diamagnetikus, paramagnetikus ir feromagnetikus. Feromagnetikai (geležis, nikelis, kobaltas, kai kurie metalų lydiniai ir oksidai) yra plačiai naudojami technikoje.

Magnetizmo sukeliami reiškiniai

Magnetizmas sukelia daug įvairių reiškinių tiek gamtoje, tiek ir technikoje.

Holo efektas

Jei laidininkas, kuriuo teka elektros srovė, yra magnetiniame lauke, tai dėl magnetinio lauko veikimo (Lorenco jėgos) dalis krūvininkų nukrypsta nuo savo įprastinės trajektorijos laidininke ir kaupiasi prie jo sienelių. Prie priešingų laidininko sienelių susikaupus priešingo ženklo krūviams, skersai laidininko atsiranda Holo įtampa:

${\displaystyle U_{H}={\frac {IB}{qnd}}}$

Van Aleno žiedai

Žemės magnetinis laukas yra nevienalytis, todėl kosmines daleles veikia kaip magnetinė gaudyklė. Dėl to aukštuosiuose atmosferos sluoksniuose ir virš jų susidaro dvi didelės toroido formos sritys, kuriose magnetinis laukas sulaiko į Žemę sklindančias kosmines daleles. Tos sritys vadinamos van Aleno žiedais. Vidiniame van Aleno žiede yra sulaikomi protonai, išoriniame – elektronai.

Magnetizmo panaudojimas

Magnetinis laukas ir su magnetizmu susiję reiškiniai plačiai naudojami šiuolaikinėje technikoje. Jie sudarė sąlygas spartesnei mokslo pažangai, leidusiai pasiekti dabartinį išsivystymo lygį.

Magnetizmo reikšmė pirmiausia atsiskleidžia suvokus, kad elektros gamyba, jos perdavimas vartotojams dideliais atstumais, elektros varikliai ir kt. remiasi būtent magnetizmu. Tačiau esama ir specifiškesnių magnetizmo taikymo sričių, pvz., moksliniams tyrimams.

Dalelių greitintuvai

Daugelyje šiuolaikinių fizikos tyrimų reikia dideliais greičiais skriejančių elektringųjų dalelių. Jos greitinamos dalelių greitintuvuose. Tiesiniai greitintuvai greitina daleles tarpuose tarp tiesėje išdėstytų laidininkų, bet dėl tokio išdėstymo jie yra labai masyvūs ir užima daug vietos. Todėl daug praktiškiau naudoti ciklinius greitintuvus – juose dalelės skrieja koncentriniais apskritimais, tad vietos reikia žymiai mažiau.

Pagal dalelės ciklotroninį dažnį

${\displaystyle \omega _{c}={\frac {qB}{m}}}$

galima spręsti ir apie pačią dalelę.

Masės spektrometrai

Masės spektrometrai naudojami dalelėms atpažinti pagal jų specifinį krūvį ${\displaystyle {\frac {q}{m}}}$, randamą iš formulės

${\displaystyle R={\frac {mv}{qB}}}$

Tiriamų dalelių srautas veikiamas magnetinio lauko nukrypsta nuo tiesios trajektorijos ir pradeda judėti spindulio ${\displaystyle R\;}$ apskritimine orbita. Tada jis susiduria su spektrometro vidine sienele ir išmatavus susidūrimo vietą galima nustatyti spindulį ${\displaystyle R\;}$, vadinasi ir specifinį krūvį.