Transcript Magnetické pole

Magnetické pole
Magnetická indukční čára
Je křivka, jejíž tečna má směr velmi malé magnetky,
umístěné v tomto bodě
Směr od jižního k severnímu pólu magnetky určuje
orientaci indukční čáry.
Magnetické indukční čáry přímého vodiče s
proudem mají tvar soustředných kružnic. Jsou
rozloženy v rovině kolmé k vodiči a jejich středy leží
v místě, v němž vodič prochází rovinou.
Magnetické indukční čáry přímého
vodiče s proudem
Obr.
Magnetické indukční čáry přímého
vodiče s proudem
Obr.
http://www.walter-fendt.de/ph14cz/mfwire_cz.htm
Ampérovo pravidlo pravé ruky
Naznačíme uchopení vodiče do pravé ruky
tak, aby palec ukazoval dohodnutý směr
proudu ve vodiči, prsty pak ukazují orientaci
magnetických indukčních čar
Ampérovo pravidlo pravé ruky
Obr.
Obr.
Ampérovo pravidlo pravé ruky
pro cívku
Pravou ruku položíme na cívku tak, aby
pokrčené prsty ukazovaly dohodnutý směr
proudu v závitech cívky. Palec pak ukazuje
polohu severního pólu cívky
Ampérovo pravidlo pravé ruky
Homogenní magnetické pole
= stejnorodé - s rovnoběžnými indukčními
čarami
Magnetická síla
Mezi póly magnetu umístíme vodič, který se
může pohybovat a připojíme ho ke zdroji napětí.
Podle směru proudu ve vodiči a orientace
magnetických indukčních čar se vodič vychýlí
buď dopředu nebo dozadu. Jestliže při stejné
orientaci magnetických indukčních čar změníme
směr proudu, změní se výchylka vodiče v
opačnou.
Magnetická síla
Magnetická síla
Rozložení indukčních čar obou polí
Příčinou vychýlení vodiče je vzájemné působení
magnetu a vodiče s proudem prostřednictvím jejich
magnetických polí. Vlevo od vodiče jsou magnetické
indukční čáry obou polí orientovány souhlasně,
zatímco vpravo od něj opačně. Vzniká tedy
nesouměrné rozložení magnetických indukčních čar
v okolí vodiče. Složením obou polí vzniká pole
výsledné s větší hustotou indukčních čar vlevo a
menší hustotou vpravo od vodiče. To se projeví
vznikem magnetické síly , která působí na vodič a
míří do místa s menší hustotou magnetických
indukčních čar. Při změně směru proudu nebo
orientace magnetických indukčních čar magnetu se
změní i orientace magnetické síly.
Magnetická síla
Značí se Fm
Fm  B.l.I
B
l
I
magnetická indukce – veličina, která
charakterizuje magnetické pole
délka vodiče
v metrech
elektrický proud
v ampérech
Magnetická indukce
Jednotka
T……..tesla
N
B  
T
A.m
Magnetická indukce je vektorová veličina. Vektor
magnetické indukce B je rovnoběžný s tečnou k
indukční čáře v daném místě magnetického pole a
jeho směr odpovídá orientaci indukční čáry
Flemingovo pravidlo levé ruky
Obr.
Položíme-li levou ruku k vodiči tak, aby prsty ukazovaly
dohodnutý směr proudu a indukční čáry vstupovaly do dlaně,
ukazuje odtažený palec směr magnetické síly působící na vodič.
Dva rovnoběžné vodiče s
proudem
Dva rovnoběžné vodiče s
proudem
• Směr síly - podle FPLR
• Vodiče se přitahují nebo
odpuzují.
• V okolí obou vodičů, kterými prochází
elektrické proudy, se vytváří magnetická
pole, charakterizovaná magnetickou
indukcí. Směry vektorů magnetických
indukcí určíme pomocí Ampérova pravidla
pravé ruky.
• Směr magnetické síly určíme pomocí
Flemingova pravidla levé ruky. V našem
případě má magnetická síla , kterou působí
druhý vodič na první, směr doprava.
• Směr vektoru magnetické síly určíme také
pomocí Flemingova pravidla levé ruky. Síla,
kterou působí první vodič na druhý, má v
našem případě směr doleva.
• Pokud vodiči prochází elektrické proudy ve
stejném směru, tak se vodiče přitahují.
• V okolí vodičů, jimiž prochází elektrické
proudy, se vytvoří magnetická pole,
charakterizovaná magnetickou indukcí, jejíž
směry určíme pomocí Ampérova pravidla
pravé ruky.
• Směr magnetické síly působící na první
vodič určíme pomocí Flemingova pravidla
levé ruky. V našem případě má magnetická
síla, kterou působí druhý vodič na první,
směr doleva.
• Směr magnetické síly působící na druhý
vodič určíme také pomocí Flemingova
pravidla levé ruky. Síla, kterou působí první
vodič na druhý, má v našem případě směr
doprava.
• Pokud vodiči prochází proudy v různých
směrech, vodiče se odpuzují.
Definice ampéru
• Ampér je stálý elektrický proud, který při
průchodu dvěma přímými rovnoběžnými
nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného
kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve
vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi
stálou sílu 2.10-7 newtonu na 1 metr délky
vodiče.
Magnetické látky
Feromagnetické látky
působením magnetického pole se zmagnetují.
Zesilují magnetické pole.
Příklady: ocel, kobalt, nikl a jejich slitiny
Mají velkou relativní permeabilitu (102 – 105)
Permeabilita
Veličina, která charakterizuje magnetickou látku z
hlediska působení magnetického pole
Značí se

Permeabilita vakua (srovnávací veličina)
0  4. .107 N.A2
Relativní permeabilita

r 
0
Princip elektromagnetu
Elektromagnet ve své nejjednodušší formě, je cívka: drát svinutý
do
smyček. Když smyčkou prochází elektrický proud, vytvoří se
magnetické pole.
Síla pole je ovlivněna několika faktory:
• Počtem smyček cívky a velikostí budícího proudu.
Čím více smyček a čím vyšší proud, tím silnější magnetické
pole vznikne.
• Materiálem jádra cívky
Použitím feromagnetických materiálů lze ve vzduchové
mezeře dosáhnout vyšší intenzity magnetického pole než v
situaci bez použití jádra. Vhodně zvoleným materiálem lze
pole zesílit (koncentrovat) i stokrát, tisíckrát, což je dáno
permeabilitou toho materiálu.
Rozlišení magnetických materiálů
Magneticky měkké materiály
- po přerušení proudu v cívce magnetické pole cívky
téměř zaniká
- tyto materiály se využívají pro výrobu jader do cívek
Magneticky tvrdé materiály
- po přerušení proudu v cívce zůstává jádro v
cívce permanentním magnetem
- tyto materiály se využívají pro výrobu permanentních
magnetů
Ferimagnetické látky – ferity
• Zvláštní skupina magnetických materiálů
• Kromě rozšířených barnatých feritů se stále více používají
strontnaté ferity. Feritové magnety se skládají z cca 86 %
Fe2O3 a cca 14 % BaO2 nebo SrO (stechiometrický vzorec
BaFe12O19 nebo SrFe12O19). Suroviny jsou dobře dosažitelné
a cenově výhodné. Feritové permanentní magnety jsou
odolné vůči mnohým chemikáliím, jako jsou ředidla, louhy a
slabé kyseliny. U silných organických a anorganických kyselin
(šťavelové, sírové, chlorovodíkové a fluorovodíkové) je
odolnost v podstatě určována teplotou, koncentrací a časem
styku. V zásadě by měla být odolnost stanovena
dlouhodobými pokusy.
Mechanické vlastnosti
• Na základě svého keramického charakteru jsou ferity křehké
a citlivé na náraz a ohyb. Z důvodu jejich značné tvrdosti musí
být ferity obráběny diamantovým nářadím.
Využití magnetických materiálů v
praxi
Elektromagnetické relé
Magnetický záznam signálu
Elektromagnetické relé
Funkční prvek zařízení pro automatizaci
Elektromagnetické relé
Jedno z možných provedení
Magnetický záznam signálu
Je založen na trvalém zmagnetování vrstvy
feromagnetické látky nanesené na nosiči z
plastického materiálu.
Magnetický záznam signálu
•
•
•
Magnetický záznam se uskutečňuje pomocí zvláštního elektromagnetu záznamové hlavy. Hlavu tvoří cívka, jejíž jádro je složeno z plíšků
uspořádaných do tvaru prstence. Jádro není uzavřené - je přerušeno velmi
úzkou štěrbinou, která je vyplněna nemagnetickým materiálem (např.
bronz).
Elektrický signál vycházející z mikrofonu je zesílen a vyslán k cívkám
záznamové hlavy. Časově proměnný elektrický signál, jehož časový průběh
odpovídá zaznamenávanému signálu, vyvolá v elektromagnetu časově
proměnné magnetické pole a jeho indukční čáry vystupují v místě štěrbiny
nad povrch jádra záznamové hlavy. Před štěrbinou se stálou rychlostí
pohybuje nosič záznamu a v jeho feromagnetické vrstvě vzniká trvalý
záznam v podobě souvislé řady různě zmagnetovaných míst s proměnnou
hodnotou a směrem magnetické indukce. Tak se zvuk uloží pomocí
magnetizace pásku.
Reprodukce signálu probíhá obráceným postupem: zmagnetovaný nosič se
opět pohybuje v těsné blízkosti štěrbiny snímací hlavy. Změny
magnetického pole vyvolávají ve vinutí hlavy proměnný elektrický proud,
který je elektrickým obrazem zaznamenané informace. Z fyzikálního
hlediska zde dochází k elektromagnetické indukci
Elektromagnetická indukce
Jestliže se v blízkosti vodiče mění magnetické
pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí
a uzavřeným obvodem začne procházet proud.
Elektromagnetická indukce
• V cívce vzniká proud pouze tehdy, jestliže
se magnetické pole v okolí cívky mění
• Proměnné magnetické pole se nazývá
nestacionární magnetické pole
• Proud, který toto pole vyvolává se nazývá
indukovaný elektrický proud
K elektromagnetické indukci může dojít různým
způsobem:
• pohybem permanentního magnetu nebo
elektromagnetu v blízkosti cívky - velikost
indukovaného napětí závisí na "síle" magnetu,
rychlosti a směru jeho pohybu a na počtu závitů
cívky
• pohybem cívky v blízkosti permanentního
magnetu nebo elektromagnetu - také v tomto
případě závisí velikost indukovaného napětí na
"síle" magnetu, rychlosti a směru pohybu cívky a
na počtu jejích závitů. Podstatné přitom je, aby
vodič při pohybu protínal indukční čáry, při
pohybu ve směru indukčních čar se na něm žádné
napětí neindukuje
Elektromagnetická indukce
Lenzův zákon
• Indukovaný elektrický proud v uzavřeném
obvodu má takový směr, že svým
magnetickým polem působí proti změně
magnetického pole, která tento proud
vyvolala.
Zákon elektromagnetické
indukce

t
 .................m agnetickýindukčnítok......jednotka....Wb
Ui  
U i ...............indukovanénapětí.........jednotka....V
t................doba.............. jednotka...s
Definice m agnetického indukčníhotoku
  B.S
B..........m agnetickáindukce......jednotka....T
S ..........plocha.......jednotka.....m 2
Vektor B je kolm ý k ploše S
Změny magnetického indukčního
toku
1. Změnou velikosti plochy
  BS
2. Změnou magnetické indukce
  SB
Praktické využití magnetické
indukce
• V homogenním magnetickém poli se otáčí
rovinný závit – vznik střídavého proudu
Časový průběh magnetického indukčního toku cívkou
.
Elektromagnetická indukce
umožňuje přímou přeměnu mechanické
energie mna energii elektrickou
Indukčnost vodičů
Indukčnost vodičů
Vlastní indukce
• Tento jev nazýváme vlastní indukce.
• Je způsoben změnami magnetického pole
vytvářeného proudem v cívce.
• Indukované napětí bude záviset na
vlastnostech cívky – počet závitů, jádro…
• Tyto vlastnosti cívky nazýváme
indukčnost - značí se L
• Jednotka indukčnosti je henry značka H
• Tak jako rezistor je charakterizován svým
odporem R je cívka charakterizována svou
indukčností L
Vlastní indukce
• Výpočet indukovaného napětí na koncích
cívky
Jednotka indukčnosti