Elektromagnetické pole
Elektromagnetické pole je fyzikálne pole, ktoré zodpovedá miere pôsobenia elektrickej a magnetickej sily v priestore. Je zložené z dvoch navzájom prepojených polí, elektrického a magnetického. Hoci elektromagnetické pole je nekonečné, obyčajne sa uvažuje len tá jeho časť, ktorá má význam na pohyb telies v okolí nabitého telesa, ktoré pole vytvára.
Vznik poľa
Dôležité sú tri pojmy: pohyb vodiča, elektrický prúd a magnetické pole. Tu sa dá dokázať súvislosť elektrickej a magnetickej energie: elektrický prúd vyvoláva magnetické pole, vo vodiči, ktorý sa pohybuje v magnetickom poli sa indukuje napätie a vodič, cez ktorý preteká prúd sa môže pohybovať v magnetickom poli, pretože na neho pôsobí určitá sila.
Zdroje magnetického poľa, ktoré prejavuje silové účinky na niektoré látky, môže byť:
- trvalý – permanentný magnet
- elektromagnet – magnet vybudený elektrickým prúdom
Ide však o to isté magnetické pole. Magnetické pole vzniká vždy len pohybom elektrického náboja. V elektromagnete je jeho príčinou prúd, v permanentnom magnete pohyb elektrónov v atómoch, ktorý možno považovať za malý – elementárny magnet. Každý elektrón so svojou dráhou v atóme látky predstavuje elektrický prúd, čím vyvoláva magnetické pole. V nemagnetických látkach sa elektróny pohybujú neusporiadane a ich magnetické polia sa navzájom rušia, teda celý atóm je navonok magneticky neutrálny. V permanentných magnetoch sa pohybujú elektróny rovnakým zmyslom v usmernených rovinách okolo jadra atómu. Každý z nich sa stane elementárnym magnetom. Účinky sa spočítajú a celá látka sa stane zdrojom magnetického poľa. Permanentný magnet si ponecháva smer prúdenia elektrónov v atómoch, ktorý im vnútilo magnetické pole iného magnetu. Magnetické polia permanentného magnetu alebo vodiča prúdu sú teda úplne rovnakými magnetickými poľami.
Magnetické pole vzniká v každom prostredí. Mechanickými účinkami však pôsobí len na niektoré látky, napríklad železo alebo nikel, tieto látky nazývame feromagnetickými; alebo na iné magnetické pole. Feromagnetickými látkami sú aj zliatiny niektorých prvkov, napríklad veľmi dobré feromagnetické vlastnosti má Heuslerova zliatina mangánu a hliníka alebo mangánu a medi. Dobrou feromagnetickou látkou, z ktorej sa napríklad vyrábajú transformátorové plechy, je železo s prímesami kremíka, fosforu, síry, uhlíka a mangánu.
Látky, v ktorých sa úplne nerušia elementárne magnety v atómoch, nazývame paramagnetickými látkami, napr. vzduch. Tieto látky prakticky nevyvolávajú zmenu vonkajšieho magnetického poľa.
Látky, v ktorých sa úplne rušia elementárne magnety v atómoch sú diamagnetické látky, napríklad bizmut. Vonkajšie magnetické pole nemôže meniť polohu atómov v nich, mení len obehy elektrónov, pričom sa spotrebuje práca. Príčinou je zoslabenie vonkajšieho magnetického poľa.
Vlastnosti magnetického poľa
Pri vložení tyčového magnetu medzi železné piliny sa ich najviac zachytí na koncoch tyče (obr. 1). Tieto miesta s najsilnejšími účinkami nazývame magnetické póly. Spojnica pólov sa nazýva magnetická os. Miesto, na ktorom sa magnetické účinky neprejavujú sa nazýva neutrálna os. Pól, ktorý sa pri pohyblivom magnete stavia do smeru zemského severu, je severný pól, označuje sa S alebo +, druhý pól je južný, označuje sa J alebo -.
Ak priblížime k jednému magnetu iný magnet, pôsobí medzi nimi príťažlivá alebo odpudivá sila. Príťažlivá sila vzniká medzi dvomi nesúhlasnými pólmi (S-J) a odpudivá vzniká medzi súhlasnými pólmi (S-S alebo J-J). Príťažlivou silou pôsobí magnet aj na nezmagnetizovanú feromagnetickú látku. Je to preto, lebo feromagnetická látka sa v magnetickom poli tiež zmagnetizuje v smere pôvodného magnetického poľa a tak sa vedľa seba dostanú dva nesúhlasné póly obidvoch látok. Feromagnetická látka zostáva v magnetickom stave aj po zániku vonkajšieho poľa. Tento zvyškový magnetizmus je remanentným magnetizmom. Niektoré látky však aj po zániku vonkajšieho poľa nestrácajú svoj nadobudnutý magnetizmus a stávajú sa permanentným magnetom, ako napríklad kalená oceľ.
Každý zdroj magnetického poľa má vždy najmenej dva magnetické póly, teda na rozdiel od elektrického poľa nikdy nemôže existovať len jedno magnetické množstvo. Preto aj rozdelením jedného magnetického zdroja na dva budú obe mať dva magnetické póly.
Magnetické pole sa znázorňuje siločiarami. Siločiary z magnetu vystupujú v mieste kladného magnetického náboja, v magnete však pokračujú. Magnetické siločiary sú uzavreté, nikde nezačínajú ani nekončia a prechádzajú celým magnetom.
Hoci permanentné magnety a elektromagnety vytvárajú rovnaké magnetické pole, elektromagnety majú oproti permanentnými isté výhody. Napríklad veľkosť magnetického poľa možno ľahko zmeniť zmenou magnetizačného prúdu, zmeniť polaritu magnetu zmenou smeru prúdu a pod.
Magnetické pole vodiča prúdu
Okolo vodiča, cez ktorý prechádza prúd, vzniká magnetické pole, ktoré sa znázorňuje siločiarami majúcimi tvar kružníc či elíps. Ich smer závisí od smeru prúdu tečúceho cez vodič. K určeniu smeru siločiar sa využíva Ampèrovo pravidlo pravej ruky: Ak zovrieme vodič prúdu do pravej ruky tak, aby palec ukazoval smer prúdu, konce prstov udávajú smer siločiar magnetického poľa. O prítomnosti magnetického poľa v okolí vodiča sa je možné presvedčiť priblížením magnetky k vodiču. Ak ju postavíme kolmo na vodič, pootočí sa jej severný koniec v magnetickom poli do smeru magnetických siločiar (obr. 2), ak ju postavíme rovnobežne s vodičom prúdu, vychýli sa podľa Ampérovho pravidla pravej ruky. Nikdy sa však nevychýli o celých 180°, pretože na ňu pôsobí aj magnetické pole Zeme.
Valcová cievka so závitmi v tesnej blízkosti seba má pri prechode prúdu vnútri cievky homogénne pole. Smer tohto poľa určíme podľa pravidla pravej ruky: Ak uchopíme cievku do dlane tak, že prsty ukazujú smer prúdu jednotlivými závitmi, vystretý palec udáva serverný pól cievky.
Základné veličiny magnetického poľa
Magnetické napätie
Základná veličina magnetického poľa – magnetické napätie sa vytvára elektrickým prúdom. Zvyšovať magnetické napätie je tak možné zvyšovaním veľkosti prúdu vo vodiči, okolo ktorého magnetické pole vzniká. Magnetické pole však možno ovplyvniť nielen zmenou veľkosti prúdu, ale aj priblížením ďalšieho vodiča prúdu. Magnetické napätie Um na určitej dráhe je teda dané súčtom veľkostí prúdov všetkých vodičov ohraničených touto dráhou.
Pri konštantnom prúde I a počte vodičov N bude platiť: (A;A)
Počet vodičov N je bezrozmerné číslo, teda jednotkou magnetického napätia je ampér (A). Základná definícia magnetického napätia teda znie:
- Magnetické napätie na uzavretej dráhe prostredia sa rovná súčtu prúdov obopnutých touto dráhou.
Magnetické napätie sa inak nazýva aj prietokom prúdu alebo aj budením. Magnetické napätie je skalárna veličina.
Intenzita magnetického poľa
Intenzita magnetické poľa H vyjadruje mieru sily, ktorá pôsobí v určitom mieste poľa na zanedbateľne veľký objem feromagnetickej látky alebo na myslený magnetický náboj. V elektrostatickom poli sa intenzita rovná , intenzita magnetického poľa analogicky bude: (Am−1; A, m) kde NI je magnetické napätie a l je dĺžka magnetickej siločiary.
Z tejto rovnice možno vyjadriť vzťah, ktorý sa nazýva zákon celkového prúdu alebo zákon prietoku: (A; Am−1, m). V okolí vodiča s prúdom I bude vo vzdialenosti a od vodiča rovnaká intenzita magnetického poľa na každej siločiare s polomerom a: (obr. 3)
Jednotkou intenzity magnetického poľa je Am−1, to je pomer jednotky magnetického napätia a jednotky dĺžky. Ide však o veľmi malú jednotku, pretože pri prúde 1A a vzdialenosti 1 m bude intenzita poľa iba 0,159 Am−1. Intenzita mag. poľa je vektorová veličina, okrem veľkosti má aj svoj smer, ktorý je vyjadrený smerom magnetickej siločiary. Najsilnejšie pole je v blízkosti povrchu vodiča, so vzdialenosťou klesá, vo veľkej vzdialenosti je intenzita zanedbateľná. Nulová je teoreticky až v nekonečnej vzdialenosti od vodiča.
Magnetická indukcia a permeabilita
Magnetická indukcia B súvisí s intenzitou magnetického poľa. Vyjadruje počet magnetických siločiar, ktoré pripadajú v danom prostredí na jednotku plochy. Ak je prechod cez rozhranie kolmý, indukcia nezávisí od prostredia, tým sa od intenzity líši. Medzi magnetickou indukciou a intenzitou poľa platí vzťah: (T; Hm−1, Am−1). Jednotkou mag. indukcie je tesla T.
1 Tesla je veľmi veľká indukcia, pretože do úvahy sa berie jednotková plocha 1 m², čo je pomerne veľká plocha vzhľadom na konkrétne prípady magnetických polí. V praxi sa vyskytujú polia s maximálnou indukciou 2,5T, rádove od 0,001T po 1,8T.
Veličina je permeabilita prostredia. Pre diamagnetické a paramagnetické prostredia je konštantná, ale vo feromagnetickom prostredí sa mení v závislosti od intenzity magnetického poľa. Jednotka permeability je Hm−1. Permeabilita vákua a približne aj vzduchu: . Permeabilitu dostaneme zo vzťahu , kde je relatívna permeabilita a udáva, koľkokrát je absolútna permeabilita prostredia väčšia ako permeabilita vákua. Je bezrozmerná. Je to skalárna fyzikálna veličina, vyjadrujúca magnetickú polarizovateľnosť (magnetickú „vodivosť“, priestupnosť pre magnetické pole) prostredia, v ktorom je magnetické pole vytvorené.
Magnetická polarizácia
Magnetická polarizácia (J) je rozdiel medzi magnetickou indukciou vo feromagnetickej látke B a vo vákuu Bo. Jednotka Tesla [T].
Magnetický tok, vodivosť a odpor
Veličina poľa, ktorá udáva celkový počet siločiar v uvažovanom priestore je magnetický tok, označuje sa . Zdrojom toku je celkové magnetické napätie, čím viac siločiar pretlačí napätie magnetickým obvodom s prierezom S, tým bude magnetický tok väčší. Veľkosť toku závisí aj od strednej dĺžky obvodu l, teda čím kratší je obvod, tým je tok väčší. Magnetický tok závisí aj od magnetickej vodivosti materiálu k. . Ak k predstavuje permeabilitu, odvodí sa z toho vzorec (Wb; T, m2). Jednotkou magnetického toku je weber Wb. Ide o relatívne veľkú jednotku, ak v obvode indukcia dosiahne hodnotu od 1 do 2T, magnetický tok bude rádove 10−4 až 10−1Wb.
Magnetický tok závisí priamo úmerne od magnetického napätia a nepriamo úmerne od magnetického odporu. Magnetický odpor: (H−1; Hm−1, m, m2)
Magnetická vodivosť: (H; Hm−1, m, m2)
