Magnetizmus

Magnetizmus
Grécky filozof Tháles z Milétu sa ako prvý zaoberal štúdiom prítažlivosti, ktorú
prirodzený magnet žel. rudy prejavuje voci bežnému železu. To bolo okolo roku 600 p.
n. l., ale trvalo ešte stovky rokov, než bol magnetizmus po prvý ráz využitý k
praktickému úcelu, napríklad vo forme kompasu. Cínania mali pravdepodobne
primitívnu formu magnetického kompasu zhruba pred rokom 200. V Európe sa však
kompas objavil až po r. 1200.
Preco prirodzený magnet vždy ukazuje rovnakým smerom, ked sa môže volne
otácat, ostávalo po storocia záhadou. Dnes už vieme, že železo a iné magnetické
materiály sú zložené z drobných zmagnetizovaných castí nazývaných domény. Tie za
normálnych okolností nie sú usporiadané a kov nevykazuje žiadny celkový
magnetizmus. Ked sú domény zoradené tak, že ich póly smerujú rovnakým smerom, je
kov zmagnetizovaný a pritahuje napríklad železné predmety.
Staré národy poznali niektoré magnetické javy rovnako dobre, ako elektrostatické
javy. V prírode sa vyskytujú železné rudy, ktoré sú zmagnetované, a preto pritahujú k
sebe iné feromagnetické telesá. Starí Gréci sa nazdávali, že magnetické sily majú ten
istý pôvod, ako elektrostatické sily. V 16. Storocí sa vedci opierali viac o experimenty,
ako o svoje úvahy pri objavovaní prírodných zákonov, a tak prišli k záveru, že
magnetické a elektrostatické javy od seba nezávisia. Nepodarilo sa objavit silové
pôsobenie medzi elektricky nabitým telesom a magnetom. Dánsky ucitel fyziky Hans
Christian Oersted objavil v r. 1820 náhodou silu pôsobiacu medzi pohybujúcim sa
nábojom a magnetom. Na konci hodiny fyziky sa rozhodol demonštrovat, že medzi
javmi elektrickými a magnetickými neexistuje žiadna súvislost. Do blízkosti
magnetickej strelky dal vodic, ktorým tiekol elektrický prúd. Podla slov jedného z jeho
žiakov: „Bol celkom zmätený, ked videl silne kmitajúcu strelku.“ Tak znova ožila stará
predstava o súvislosti medzi elektrickými a magnetickými javmi. Na tomto mieste mám
v úmysle vysvetlit, preco je silové pôsobenie magnetov v úplnom súhlase so silovým
pôsobením elektrických prúdov. Ako sa správa tycový magnet vložený do rovnorodého
vonkajšieho magnetického pola? Fyzici v minulosti, aby vysvetlili tento jav,
predpokladali, že tycový magnet má dva póly. Severný pól s magnetickým množstvom
+m a južný pól s magnetickým množstvom – m.
Dalej predpokladali, že na magnetický pól pôsobí sila F=mH
Silové pôsobenie medzi magnetmi vysvetlovali nasledovne: magnetické množstvo
m1 vytvára magnetické pole s intenzitou H=m1/4píu0r2, ktorá pôsobí na druhé
magnetické množstvo m2 , takže pôsobiaca sila F=m1m2/4píu0r2. Mohli ste si
všimnút, že tento vztah z magnetostatiky je formálne matematicky rovnaký, ako vztah
pre elektrostatickú silu. Celkový pocet magnetických silociar v okolí magnetického
množstva m urcuje vztah
m
NH= –––
u0
Priebeh magnetických silociar v okolí tycového magnetu je rovnaký, ako priebeh
elektrických silociar v elektrostatickom poli vytvorenom dvoma nábojmi opacných
znamienok. Magnetické pole v okolí solenoidu je rovnaké, ako magnetické pole v okolí
tycového magnetu. To nás privádza na myšlienku, ci aj tycový magnet nie je v
podstate solenoid s akýmsi „tajomným“ vnútorným prúdom, ktorý nikdy nezaniká.
Ak vložíme do vonkajšieho magnetického pola solenoid, tento sa snaží, rovnako ako
tycový magnet, otocit do smeru intenzity magnetického pola. Podla druhého pravidla
pravej ruky, sila pôsobiaca na dolnú cast závitu smeruje dolu a sila pôsobiaca na
hornú cast závitu smeruje hore. Sily pôsobiace na strany sa navzájom rušia, pretože sú
rovnako velké, proti sebe orientované a pôsobia v jednej priamke. Na každý závit podla
toho pôsobí dvojica síl,
ktorá sa snaží otocit cievku proti pohybu hodinových ruciciek do smeru magnetických
silociar.
Táto dvojica síl sa využíva v elektromotoroch. Tieto sily spôsobujú rotáciu cievky
proti pohybu hodinových ruciciek. Ked sa slucka otocí o uhol 180°, pôsobí na nu
elektrický prúd tými istými silami. Ak tento jednoduchý pravouhlý závit uvedieme do
pohybu, bude sa zotrvacnostou otácat proti pohybu hodinových ruciciek.
Ak na cievku pripojíme dlhú rucicku a pružinku, bude výchylka rucicky tým väcšia,
cím väcší prúd použijeme. Toto je princíp ampérmetra.
V r. 1836 Ampére , aby vysvetlil vlastnosti tycového magnetu, predpokladal, že je
to v podstate solenoid so „vstavanými“ prúdmi, ktoré pretekajú po jeho vonkajšom
povrchu. Ampére povedal: „...na základe jednoduchého porovnávania faktov sa mi zdá
byt nemožné pochybovat o tom, že tieto prúdy okolo osi magnetu skutocné pretekajú.“
Ampérov prúd pripadajúci na jednotkovú dlžku tycového magnetu i´.
Podla vztahu je celkový pocet magnetických silociar
NH= i´A
Ak však uvažujeme magnetické množstvo m v póle magnetu , môžeme písat
m
NH= ––––
u0
Podla toho
m
––– = i´A
u0
m = u0 i´A
ciže m
i´= ––––
u0A
Tak je vyjadrená závislost magnetického množstva magnetu alebo solenoidu od
cirkulujúceho prúdu. Ale odkial je tento trvalý prúd? Na vysvetlenie Ampére použil
schému molekúl feromagnetickej látky a s nimi spojených cirkulujúcich prúdov, ktoré
pretekajú v uzavretých okruhoch bez odporu. Predpokladal, že vonkajšie magnetické
pole môže usporiadat tieto molekuly navzájom paralelne, takže ich elementárne
magnetické polia sa scítavajú. Elementárne prúdy sa scítavajú a vytvárajú výsledný
povrchový prúd. Všimnime si, že prúdy vo vnútri sa navzájom rušia.
Tento výklad magnetických javov, ktorý predstihol objavenie elektrónu približne o
60 rokov, bol jasnou predzvestou našich moderných poznatkov o atómovej štruktúre a
o teórií magnetizmu. Ampérové elektrické okruhy s nulovým odporom presne
zodpovedajú pohybu elektrónov v Bohrovom modeli atómu. Každý elektrón v tomto
modeli predstavuje trvalý prúd, podobný jednoduchému závitu v solenoide. Vo väcšine
atómov sú tieto elektrónové dráhy, ciže prúdové slucky orientované tak, že sa
navzájom rušia. Feromagnetické látky, ako je železo, kobalt a nikel, majú nasledujúce
dve vlastnosti:
1. V ich atómoch sa elektrónové dráhy a elektrónový spin (rotujúci náboj) navzájom
nerušia
2. Dva susedné atómy pôsobia na seba silami, ktoré sa snažia usporiadat atómy tak,
aby ich prúdové slucky boli všetky v jednom smere. Úplné vysvetlenie týchto otázok
dáva
kvantová mechanika. Cast kvantovej mechaniky, ktorá pojednáva o týchto javoch,
nazýva sa fyzika tuhých látok. Vieme, že každé teleso z feromagnetického materiálu sa
skladá pri izbovej teplote z makroskopických domén (majú rozmery rádu tisícin cm), v
ktorých sú všetky atómy usporiadané jedným smerom. V materiále, ktorý nie je
zmagnetovaný, sú domény orientované náhodne. Pri procese magnetizácie sa domény
usporiadajú, a to tým, že sa posúvajú ich hranice. Domény, ktorých orientácia sa blíži
orientácií pola, sa zväcšujú, zatial co sa ostatné zmenšujú.
Magnetizmus ako jedna z foriem energie má skutocné široké pole pôsobenia.
Dôkazom toho je napríklad magnetosféra. Je oblast okolia telesa (Zem, planéty,
hviezdy), kt. rozmery, tvar a fyz. vlastnosti sú urcené magnetickým polom telesa a
interakciou s prostredím. Magnetosféra Zeme je oblast urcená silociarami magn. pola
Zeme a interakciou so slnecným vetrom. Zacína sa vo výškach nad 1000 km, jej
vonkajšou hranicou je magnetopauza vo vzdialenosti asi 10 polomerov Zeme na strane
privrátenej k Slnku a asi 40 polomerov Zeme na strane odvrátenej od slnka.
Magnetosféra je deformovaná interakciou silociar pola so sln. vetrom aj smerovo v
dôsledku sklonu spojnice pólov k smeru toku sln. vetra (k eliptike). Na celnom rozhraní
toku sln. vetra a m. vzniká rázová vlna, pretiahnutá oblast m. tvorí chvost Zeme. V m.
sa zachytávajú nabité castice sln. vetra do magn. pasce, cím vznikajú pásy zvýšenej
koncentrácie elektricky nabitých castíc – van Allenove pásy žiarenia.
Další príklad sú magnetické póly. Je to miesto na povrchu telesa, kde je
horizontálna intenzita magn. pola nulová. Magnet volne zavesený v zemskom magn.
poli sa otocí jedným pólom na sever a druhým na juh. Zemské m. p. nie sú totožné so
zemepisnými pólmi, sú od nich vzdialené asi 1 550 , resp. 2 400 km a ich poloha v
zemskom telese sa pomaly mení. Pri magn. búrkach (poruchy zemského magn. pola
vplyvom sln. korpuskulárneho žiarenia) nastáva odklon m. p.
Približne každých 300 000 rokov sa magnetické póly Zeme menia, t. j. že severný a
južný pól si vymienajú svoje miesta. Tento jav je známy ako preklopenie pólov a
pravdepodobne sa deje odvtedy, co vznikla Zem. Ako to vedci môžu vediet? Odpoved
sa nachádza v magnetických pruhovaných vzorkách železnej rudy, ktorá sa nachádza v
niektorých skalách. Magnetické castice v roztavených skalách, takých ako láva na
obrázku dole, sú usporiadané podla magnetických pólov Zeme. Ked skala stvrdne,
trvalý záznam o zemskom magnetizme zostáva v sklách. Geológovia dokážu tieto
informácie precítat.
Magnet. má velký vplyv aj na životy mnohých organizmov. Výskumy napr. ukazujú,
že niektoré druhy zvierat, napr. holuby, morské korytnacky a niektoré motýle, majú
vbudovaný kompas, a tak sa s pomocou magnetického pola Zeme môžu orientovat na
dlhých vzdialenostiach.
Ako som už spomínal ludia si už od staroveku uvedomovali silu magnetizmu. Kedže
magnetit mal také tajomné vlastnosti, už v staroveku sa ludia zamýšlali nad tým, ci sa
nedá využit na liecenie. Od 16. storocia sa zacali používat magnetické liecebné
procedúry. Roztlcený magnetit zmiešaný s mastou mal údajne liecivé vlastnosti. V 80.
rokoch 18. str. sa ludia liecili i tak, že držali železné tyce, ktoré vytrcali zo zafarbenej
„magnetickej vody“. Pritom nad pacientmi mávali magnetickými prútikmi. Dnes sa
magnety používajú ovela praktickejšie. Jednou z diagnostických metód je zobrazovanie
pomocou magnetickej rezonancie (NMR). Táto metóda využíva silné, ale neškodné
magnetické pole, ktoré mapuje mäkké tkanivo tela bez toho, aby ho poškodilo.
Trojrozmerný obraz vnútorných organov sa zobrazuje na monitor pocítaca a ukáže
abnormality.
Okrem obycajného magnetu na chladnicke existuje mnoho vecí, ktoré majú vo vnútri
schovaný magnet. Magnetické cierne pásy na opacnej strane kreditnej karty obsahujú
informáciu, ktorú sníma automat, ked don zasunieme kartu. Páska z plastu vo vnútri
magnetofónových kaziet alebo videokaziet je potiahnutá oxidom železitým. Tieto
zmagnetizované castice udržujú informáciu, ktorá sa potom mení na zvuky alebo
obrazy. Pocítace uchovávajú dáta ako magnetické vzory na plastikových diskoch, ktoré
majú magnetický povrch. Reproduktory rádia a televízie produkujú tóny
prostredníctvom vibrujúceho magnetu. Zvonceky na dverách a bezpecnostné alarmy
využívajú magnet na aktiváciu zvuku.
Magnet má velké využitie v budúcností. Predstavte si vlak, ktorý nemá ani kolesá
ani motor, ale pohybuje sa rýchlostou do 480km/h. V Japonsku a Nemecku boli
postavené vlaky na princípe magnetickej levitácie (maglev) , ktoré sa vznášajú na
vzduchovej poduške nad jedinou kolajnicou. Elektromagnety, pripevnené na spodku
vlaku a na kolajnici, nadnášajú vlak a hladko ho posúvajú vpred po trati. Pretože sa
maglev nedotýka kolajnice, odpor v dôsledku trenia ja minimálny. Vdaka tomuto vlak
spotrebuje menej energie, pohybuje sa rýchlejšie a takmer nehlucne.
Magnetizmus je jav, ktorý skrýva ešte vela tajomstiev. Pokúsil som sa Vám aspon
trochu priblížit taje tohto javu a zvyšok neodhalených tajomstiev, ktoré magnetizmus
ešte ukrýva prenechávam vedcom budúcnosti.