Transcript Mágneses mező jellemzése

Mágneses mező jellemzése
Történeti áttekintés
A milétoszi THALÉSZ i.e. 600-ban a kisázsiai
MAGNESIA városában, mely a mai
Törökország területén található, olyan
ércet talált (magnetit nevű vasérc Fe3O4) mely magához
vonz apró vasdarabokat és fogva is tarja. Ezeket természetes
állandó mágnesnek nevezzük.
Iránytű:
A hajók és a utazók navigálására is alkalmas mágnestűt
Kínában használták először a II. században.
Nápolyi hajósok révén a mágnestű a XII. század körül jutott el
Európába, és alkalmazták hajókon iránymeghatározásra a XX.
század elejéig.
Vannak olyan anyagok, melyeket mágnes közelébe helyezve,
majd a mágnest elvéve, átveszik annak tulajdonságát és
hosszú időn át meg is tartják. Ezeket az anyagokat
ferromágneses anyagoknak, az így előállított mágnest
mesterséges állandó mágnesnek nevezzük.
A mágnestű észak-déli irányú beállását Wiééiam
Gilbert (I. Erzsébet királyné udvari orvosa) 1600-ban
a Föld mágneses hatására vezette vissza.
De Magnete, Magneticisque Corporibus
et De Magnó Magnete Tellure (1600)
„Az egész Föld úgy
tekinthető, mint egy nagy
mágnes”
William Gilbert
(1544-1603)
Az első mesterséges mágnest Giambattista della Porta olasz
fizikus állította elő. William Gilbert előtt írt a mágnességről.
Számon tartják, mint a hőmérő, a teleszkóp és a gőzerővel
Giambattista della Porta
(1535 – 1615)
történő vízemelés feltalálóját.
Gilbert kísérletet mutat be Erzsébet
királynőnek
Mágneses alapjelenségek
 Mágneses erőhatás
 A mágnesek egymásra és a vastárgyakra erőhatást fejtenek
ki.
Kölcsönhatás: vonzó és
taszító erő is lehet.
Mágneses pólusok
 Pólus görög eredetű szó: forgástengelyt, a Föld tengelyét jelenti
 Északi pólus: a mágnes északi irányba mutató pólusa
 Déli pólus: a mágnes déli irányba mutató pólusa
A földi mágneses mező egy mágneses dipólus,
melynek déli mágneses pólusa a földrajzi Északisark közelében, az északi mágneses pólusa a
földrajzi Déli-sark közelében található. A mező több
tízezer km-re terjed ki a világűrbe, ez
a magnetoszféra.
A magnetoszféra
megvédi a Föld
felszínét
anapszél töltött
részecskéitől.
Pólusváltozások
 A Föld mágneses tere pólusváltozásokat szenved néhány
tízezer évtől néhány millió évig tartó periódusok során,
átlagosan 250 000 évenként. A legutóbbi ilyen esemény
780 000 évvel ezelőtt volt. A pólusváltás időtartama
átlagosan 5000 év, de tarthat 1000-től 20 000 évig is.
 A Föld mágneses védőpajzsa rohamosan gyengül. A Swarm
névre keresztelt küldetés 2009-ben indult útjára. 3 műhold
mérései alapján a következő pólusváltás várhatóan 2000
éven belül fog bekövetkezni.
 A múltban történt pólusváltások ideje alatt a régészeti
leletek alapján nem történt tömeges fajpusztulás. A
pólusváltás ideje alatt várhatóan
a földi életet nem fogja védeni a
magnetoszféra.
Mágneses mező szerkezete
 A mágneses mező vasreszelékkel szemléltethető
A mágneses mező
Az áram mágneses hatása
 Oersted kísérlete
Hans Christian
Oersted (1777-1851)
dán fizikus, vegyész
 1820-ban egy dán fizikus Hans Christian Ørsted észrevette,
hogy
az árammal átjárt vezető közelében elhelyezett iránytű az áram
hatására elfordul. Megállapította, hogy az elektromos áram
mágneses teret létesít.
Mágneses indukció
 A mágneses tér erősségét jellemző vektormennyiség.

Jele: B mértékegysége: Tesla (Vs / m2)
(A mágneses indukcióvektor a mező erősségét jellemzi a mágneses mező
adott pontjaiban. )
F
B
I l
 A mágneses indukció nagysága:
egyenesen arányos az árammal átjárt vezetők közötti
erővel fordítottan arányos a mérőhuzalban folyó áramerősséggel és a
huzal hosszával.
 A mágneses indukció vektor iránya:
Az egyensúlyi helyzetbe beállt próbatekercs,
vagy iránytű déli pólusából az északi pólusa
felé mutató irány.
Mágneses indukció mérése
Mágneses mező vizsgálatára alkalmas minden olyan eszköz,
amely kölcsönhatásba lép a mágneses mezővel.
Magnetométer: lapos, áramjárta tekercs
(próbatöltés – „próbamágnes”)
A mágneses mező a magnetométerre
forgatónyomatékot gyakorol , amíg beáll
az egyensúlyi helyzete.
A mágneses mező erőssége: B (mágneses indukció)
A forgató nyomaték: M=B*N*A*I => B= M/(N*A*I)
Magnetométerre jellemző: N*A*I, magnetométer mágneses nyomatéka.
Fluxus
 Egy adott felületen átmenő
(merőlegesen) erővonalak
száma.
B
A
  B A
  (fi): mágneses fluxus
 Mértékegysége: Weber
 Jele: Wb
B: mágneses indukció nagysága
A: felület nagysága
Mágneses indukció
 Mágneses indukció nagysága áram járta egyenes vezető
körül „r” távolságban:
0
I
B  0 
2  r 
: vákuum permeabilitása
Vs
0  4 10
Am
7
Jobbkéz-szabály:
a jobb kéz behajlított ujjai mutatják meg az
irányt, ha a kinyújtott hüvelykujj az áram
irányába mutat

B iránya
áramirány
Mágneses indukció
 A mágneses indukció mértékegysége: T ( tesla)
N
Vs
1T  1

2
Am
m
Horvát születésű fizikus, dolgozott a
budapesti Ganz gyárban, majd Párizsban és
Londonban. 1884-től az USA-ban Edison
munkatársa volt.
Nikola Tesla
(1856-1943)
Mágneses indukcióvonalak
 Mágneses indukcióvonalak olyan zárt görbék,
melyeknek bármely pontjába húzott érintő
megadja a mágneses indukció vektor irányát.
 A mágneses indukció nagyságát a mágneses
indukcióvonalak sűrűsége jellemzi.

B
Az áram mágneses hatása
 Árammal átjárt vezetők által létrehozott mágneses mező
Egyenes vezető
körvezető
Árammal átjárt vezetők kölcsönhatása:
• azonos áramirány esetén vonzás
• ellentétes áramirány esetén taszítás tapasztalható.
„ Az amper olyan állandó elektromos áram
erőssége, amely két párhuzamos, egyenes,
végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny
kör keresztmetszetű és vákuumban egymástól
1 m távolságban levő vezeték között
méterenként 2* 10-7 N erőt hoz létre.”
tekercs
Egyenes tekercs mágneses mezője
 A tekercs(szolenoid) belsejében a mágneses mező
homogén.
 A tekercsben a mágneses indukció:
 N: menetszám
I N
B  0 
l
 I: tekercsben folyó áram erőssége
 l : tekercs hossza
 μ0 : vákuum permeábilitása
 μ0= 4π*10-7 Vs/Am
Mágneses térerősség
 Mágneses térerősség:
az áram által gerjesztett mágneses térre jellemző fizikai
mennyiség
 Az
mennyiség, amely az egyenes vezetőben folyó „I”
I
áramot
„ r” sugarú kör kerületének hosszegységre jutó
2  rkörülvevő

árama.
 Jele: H Mértékegysége:
A
m
B
H
0
 A mágneses térerősség erővonalai önmagukban záródnak, nem
keletkeznek és nem végződnek.
Vasmagos tekercs
 Ha a tekercs belsejét nem levegő tölti ki. Réz és alumínium
esetén nincsen változás.
 Vasrúd esetén a mágneses mező erőssége megnövekedett.
I N
B  0 r 
l
 μr : relatív permeabilitás
(anyagi jellemző)
 Ferromágnesség:
A vas, kobalt, nikkel és ezek ötvözetei,
erősen mágnesezhető anyagok,
a mágneses mezőből kiemelve
többé-kevésbé megőrzik a mágnesességüket.
Vasmagos tekercs: elektromágnes
 Az elektromágnes általában egy lágyvas mag,
amelyet legalább egy tekercs vesz körül.
Az elektromágnes erőssége függ:
a tekercsben folyó áram nagyságától
a tekercs menetszámától
a vasmag anyagától, relatív permeabilitásától
a vasmag alakjától, méretétől,
Elektromágnes alkalmazásai
Erőhatások mágneses mezőben, Lorentz-erő
 Egy mágneses mező megfelelően elhelyezett áramjárta
vezetőre erőt fejt ki.
 Ez az erő a Lorentz-erő .
nagysága:
F  I  B l
Fl
A Lorentz erő maximuma akkor
észlelhető, ha az egyenes vezető
merőleges a mezőre.
Szabad töltésre ható erő a mágneses mezőben
 Nyugvó töltésekre a mágneses mező nem hat.
 Mozgó töltésekre hat a Lorentz erő:
Az erőhatás a mozgó töltéseket a homogén mágneses mező Bvonalaira merőleges körpályára állítja.
I=Q / t , l = v*t
FL= I*B*l = Q*v*B
A Lorentz erő a centripetális erő.
Q*v*B = m*v2 / r
A körpálya sugara:
r= m*v/ Q*B
Katódsugárcső
1.
2.
3.
4.
Izzó katódból (negatív
töltésű elektróda)
elektronok lépnek ki
A gyorsító anódok
(pozitív töltésű
elektródok) hatására
felgyorsulnak
Az eltérítő tekercsek
közötti kialakuló
mágneses tér hatására
eltérülnek (Lorentzerő)
Az elektron a
fluoreszens képernyőbe
csapódva egy
fényfelvillanást okoz.
Ciklotron
• Részecskegyorsító
• Töltött részecskék (pl.l
protonok, ionok) mágneses tér
hatására spirális pályán haladnak
belülről kifelé.
• Minden egyes körbefordulás
során a váltóáram elektromos
tere kétszer gyorsít a részecskén,
egyre nagyobb sugarú körpályára
juttatva azt.
• Fénysebességhez közel
tömegnövekedés, frekvenciát
csökkenteni kell: szinkrociklotron
•Max. energia: 600-800 MeV
(proton)
Egy elektronvoltnak nevezzük azt az energiát amelyet
az elektron 1 V (megfelelő irányú) potenciálkülönbség hatására nyer.
CERN-LHC
27 km átmérőjű CERN-LHC:
Van Allen övek
• A Van Allen sugárzási
övezet (röviden: Van
Allen-öv) a Föld feletti,
elektromosan töltött
részecskéket tartalmazó
dupla réteg
• A belső öv a Föld felett
2000 km-től 5000 km-ig
terjed és 10-50 MeV
(=megaelektronvolt)
energiájú protonokból áll,
melyet a kozmikus
sugárzás hoz létre.
•A külső öv nagyjából
6000-10 000 km vastag,
legsűrűbb része 15 00020 000 km magasságban
van. A külső öv főleg
elektronokból áll.
Sarki fény
Kölcsönhatások összehasonlítása