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.

Giambattista della Porta 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 történő vízemelés feltalálóját. Giambattista della Porta (1535 – 1615)

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 Északi-sark 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 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.  Hans Christian Oersted (1777-1851) dán fizikus, vegyész

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. ) 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.  (fi): mágneses fluxus Mértékegysége: Weber Jele: Wb B: mágneses indukció nagysága A: felület nagysága B A

Mágneses indukció Mágneses indukció nagysága áram járta egyenes vezető körül „r” távolságban: áramirány : vákuum permeabilitása Jobbkéz-szabály: a jobb kéz behajlított ujjai mutatják meg az irányt, ha a kinyújtott hüvelykujj az áram irányába mutat iránya

Mágneses indukció A mágneses indukció mértékegysége: T ( tesla) 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.

Az áram mágneses hatása Árammal átjárt vezetők által létrehozott mágneses mező Egyenes vezető körvezető tekercs 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.”

Egyenes tekercs mágneses mezője A tekercs(szolenoid) belsejében a mágneses mező homogén. A tekercsben a mágneses indukció: N: menetszám I: tekercsben folyó áram erőssége l : tekercs hossza μ0 : vákuum permeábilitása μ0= 4π*10-7 Vs/Am

Mágneses térerősség Mágneses térerősség: Jele: H Mértékegysége: az áram által gerjesztett mágneses térre jellemző fizikai mennyiség Az mennyiség, amely az egyenes vezetőben folyó „I” áramot körülvevő „ r” sugarú kör kerületének hosszegységre jutó árama. Jele: H Mértékegysége: 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. 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: 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 B-vonalaira 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 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 (Lorentz-erő) 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 15 000-20 000 km magasságban van. A külső öv főleg elektronokból áll.

Sarki fény

Kölcsönhatások összehasonlítása