If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Co je magnetické pole?

Zjisti, co je magnetické pole a jak jej vypočítat.

Co je magnetické pole?

Magnetické pole je (zjednodušeně řečeno) rozložení magnetické síly v prostoru okolo i uvnitř něčeho magnetického.
Většina z nás se každodenně setkává s magnetickými předměty, a tak víme, že mezi nimi mohou působit síly. Víme, že magnety mají dva póly a podle jejich natočení se mohou přitahovat (opačné póly) nebo odpuzovat (stejné póly). Chápeme, že okolo magnetu je nějaká oblast, kde k tomu dochází. Tuto oblast popisuje magnetické pole.
Existují dva způsoby, jak se běžně magnetické pole znázorňuje:
  1. V matematice se magnetické pole popisuje s pomocí vektorového pole. Vektorové pole můžeme vykreslit přímo jako soustavu mnoha vektorů na mřížce. Každý vektor má délku úměrnou síle magnetického pole a ukazuje směrem, kam by na stejném místě ukazoval kompas. Názornou ukázkou by bylo uspořádání mnoha malých kompasů do mřížky, kterou vložíme do magnetického pole. Jediným rozdílem by bylo, že kompas neukazuje sílu magnetického pole.
    Obrázek 1: Vektorové pole tyčového magnetu
    Obrázek 1: Graf vektorového pole tyčového magnetu.
  2. Druhou možností pro zobrazení vektorové pole je vykreslení magnetických indukčních čar. Zde upustíme od použití mřížky a vektory spojíme do hladké čáry. Můžeme vykreslit tolik čar, kolik jen budeme chtít.
    Obrázek 2: Indukční čáry tyčového magnetu
    Obrázek 2: Graf indukčních čar tyčového magnetu
    Zobrazení s pomocí indukčních čar má několik užitečných vlastností:
    • Indukční čáry magnetického pole se nikdy neprotínají.
    • Indukční čáry magnetického pole jsou blíže u sebe v místech, kde je magnetické pole silnější. To znamená, že hustota čar ukazuje velikost pole.
    • Indukční čáry magnetického pole nikde nezačínají ani nekončí, ale vždy tvoří uzavřené smyčky a pokračují i uvnitř magnetického materiálu (v obrázcích často nejsou znázorněné).
    • Potřebujeme způsob, jak ukázat směr pole. Toho se většinou docílí nakreslením šipek na magnetických indukčních čarách. Občas šipky nejsou nakresleny a směr musí být ukázán nějak jinak. Z historických důvodů je zvykem, že se jeden pól označí jako ‚sever' a druhý jako ‚jih' a čáry se kreslí pouze mezi těmito ‚póly'. Předpokládá se, že pole sleduje čáry od severu k jihu. Většinou se na konce magnetů dávají popisky ‚N' (sever) a ‚S' (jih), i když na těchto konkrétních místech s popisky není nic zvláštního.
    • Magnetické indukční čáry je možné docela jednoduše zviditelnit. Běžně se to dělá za pomoci železných pilin rozsypaných na ploše v blízkosti magnetického pole. Neváhej a vyzkoušej pohybovat magnetem v programu, který se zobrazí po kliknutí na tento text (kód i anglická slova můžeš ignorovat). Každá pilina se chová jako malý magnet se severním i jižním pólem. Piliny se od sebe přirozeně oddělí, protože stejné póly se odpuzují. Výsledkem je obrazec, který se opisuje magnetické indukční čáry. Při opakovaných pokusech bude podoba obrazce stejná, ale přesné umístění a hustota čar z pilin bude záviset na tom, jak jsme piliny rozsypali, na jejich velikosti a magnetických vlastnostech.
      Obrázek 3: Induční čáry okolo tyčového magnetu ukázané s pomocí železných pilin.
      Obrázek 3: Indukční čáry magnetické pole okolo tyčového magnetu zobrazené s pomocí železných pilin.

Jak se měří magnetické pole?

Magnetické pole je vektorová veličina, a tak jej popisují dvě složky, které musíme změřit – velikost a směr.
Směr je jednoduché změřit. Můžeme použít magnetický kompas, který ukazuje směr pole. Magnetické kompasy se používají pro navigaci již od 11. století (využívají k tomu magnetické pole Země).
Překvapivě je měření velikosti složitější. Použitelné magnetometry jsou dostupné od 19. století. Většina těchto magnetometrů pro měření používá účinek síly na elektron, který prochází magnetickým polem.
Velmi přesné měření malých magnetických polí je možné od roku 1988, kdy byl objeven jev obří magnetorezistence ve speciálně vrstvených materiálech. Tento objev základní fyziky byl rychle využit u magnetických disků určených pro ukládání dat v počítačích. Díky tomu se v několika následujících letech tisícinásobně zdvihla kapacita pevných disků (z 0, comma, 1 na 100, G, b, i, t, slash, p, a, l, e, c, squared mezi roky 1991 a 2003 [2]). Za tento objev dostali v roce 2007 Nobelovu cenu za fyziku Albrert Fert a Peter Grünberg.
V SI systému je jednotkou magnetického pole tesla (značí se symbolem T, pojmenování je po Nikolovi Teslovi). Tesla je definována jako síla působící na pohybující se náboj v magnetickém poli. Magnet v malé ledničce vytvoří pole 0, comma, 001, T a zemské pole má přibližně 5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, T. Další častou jednotkou je Gauss (označení symbolem G). Existuje mezi nimi jednoduchý převodní vztah 1, space, T, equals, 10, start superscript, 4, end superscript, space, G. Gauss se používá, protože 1 tesla je velmi silné pole.
V rovnicích se velikost magnetického pole označuje jako magnetická indukce B. Můžete se v nich setkat i s jinou veličinou označovanou jako intenzita magnetického pole H. Jak B tak i H mají stejné jednotky, ale H bere v potaz i zhuštění magnetického pole vlivem magnetických materiálů. U jednoduchých příkladů, jako je magnetické pole ve vzduchu, není třeba tyto veličiny rozlišovat.

Co je zdrojem magnetického pole?

Magnetické pole nastává vždy, když se pohybuje nabitá částice. Magnetické pole sílí s větším množstvím náboje a jeho vyšší rychlostí.
Magnetismus a magnetické pole je jednou ze složek elektromagnetické síly, jednou se čtyř základních sil přírody.
Náboj vytvářející magnetické pole lze uvést do pohybu dvěma základními způsoby:
  1. Necháme vodičem protékat proud, například připojením k baterii. Pokud budeme zvyšovat proud (množství náboje v pohybu), tak se úměrně zvýší i pole. Pokud se budeme vzdalovat od vodiče, pole se bude se vzdáleností úměrně snižovat. To je popsáno Ampérovým zákonem. Magnetické pole ve vzdálenosti r od přímého vodiče s proudem I bude
B, equals, start fraction, mu, start subscript, 0, end subscript, I, divided by, 2, pi, r, end fraction
Zde máme speciální konstantu mu, start subscript, 0, end subscript, která se nazývá permeabilita vakua. mu, start subscript, 0, end subscript, equals, 4, pi, dot, 10, start superscript, minus, 7, end superscript, space, T, dot, m, slash, A. Některé materiály mají schopnost zhustit magnetické pole, což je dáno vyšší permeabilitou materiálu.
Magnetické pole je vektorové pole, takže potřebujeme znát i směr. U klasického značení proudu tekoucího skrze přímý vodič můžeme směr určit s pomocí pravidla pravé ruky. V předcházejících videích jsme si vysvětlili pravidlo pravé ruky pro vektorový součin. Zde si navíc ukážeme i takzvané Ampérovo pravidlo pravé ruky, které je alternativou, pokud nepotřebujeme znát směr magnetické síly. Představíme si, že držíme drát v pravé ruce s palcem ve směru proudu. Prsty nám ukazují směr magnetického pole, které se obtáčí okolo vodiče.
Určení směru magnetikého pole (B) ze směru proudu (I) s pomocí pravidlo pravé ruky. [3]
Obrázek 4: Použití pravidla pravé ruky pro určení směru magnetického pole (B) ze směru proudu (I). [3]
  1. Můžeme využít skutečnosti, že elektrony (které mají náboj) vypadají jako, že se pohybují okolo jádra atomu. To je principem fungování magnetů. Jak asi víte ze zkušenosti, tak jen některé materiály mohu být magnety a některé magnety jsou silnější než jiné. Musí být splněné určité podmínky:
  • Atomy mají často mnoho elektronů, ale ty jsou většinou ‚spárovány‘ tak, že se jejich magnetická pole navzájem vyruší. O takovýchto dvojicích elektronů říkáme, že mají opačný spin. Pokud tedy chceme, aby bylo něco magnetické, tak potřebujeme atomy s jedním či více nespárovanými elektrony se stejným spinem. Například železo je ‚speciálním‘ materiálem, který má čtyři takovéto elektrony, a proto se dá dobře zmagnetizovat - vytváří magnety.
    • Dokonce i maličký kousek látky obsahuje miliardy atomů. Pokud jsou všechny natočené (orientované) náhodně, tak se jejich výsledné pole vyruší, i když mají mnoho nespárovaných elektronů. Materiál musí být za pokojové teploty dostatečně stabilní, aby převážil jeden směr natočení. Pokud je natočení (orientace) stálé, tak jde o trvalý (permanentní) magnet, kterému se také říká feromagnet.
    • Některé materiály mohou dosáhnout shodného natočení (orientace) atomů jen za přítomnosti vnější magnetické síly. Tato síla umožňuje sladit spin všech elektronů, ale toto shodné natočení zase zanikne, jakmile vnější síla zmizí. Takovýmto materiálům se říká paramagnetika.
      Kov, ze kterého jsou dveře ledničky, je příkladem paramagnetického materiálu. Samotné dveře lednice nemají magnetické vlastnosti, ale začnou se chovat jako magnet, pokud se na ně umístí magnet. Kov ledničky i umístěný magnet se k sobě přitahují dostatečně silně, aby mezi sebou udržely připnutý nákupní seznam.

Vyrušení zemského pole

Obrázek 5 ukazuje případ, kdy je do blízkosti svislého drátu umístěn kompas. Pokud drátem neteče proud, tak kompas ukazuje na sever díky zemskému poli (předpokládáme, že pole Země je 5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, T).
Obrázek 5: Kompas a pokus s drátem (pohled shora, bez protékajícího proudu).
Obrázek 5: Kompas a experiment s drátem (pohled shora, bez protékajícího proudu).
Příklad 1a:
Jaký proud (jeho velikost a směr) bude potřeba k vyrušení zemského pole a zmatení kompasu?
Příklad 1b:
Předpokládejme, že jsme omezeni zdrojem do 1, comma, 25, space, A. Dokážeš navrhnou úpravu experimentu, která by měla na kompas stejný vliv?

Zdroje

[1] Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200 (public domain)
[2] UK Success Stories in Industrial Mathematics. Philip J. Aston, Anthony J. Mulholland, Katherine M.M. Tant. Springer, Feb 4, 2016
[3] Soubor pochází z Wikimedia Commons. Soubor má licenci Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International, 3.0 Unported, 2.5 Generic, 2.0 Generic and 1.0 Generic license.