background image

VII. ELEKTROMAGNATYZM / Materiały do użytku własnego – Robert.Szczotka(at)gmail.com 

VII.A - Pole magnetyczne (magnetostatyka) 

Mówiąc, że w pewnej przestrzeni istnieje pole magnetyczne mamy na myśli fakt, że na umieszczone tam magnesy, 
na poruszające się cząstki naładowane lub na przewodniki, w których płynie prąd działają siły. Siły te nazywamy 
magnetycznymi. Pola magnetyczne są wytwarzane przez magnesy, poruszające się cząstki naładowane i obwody z 
prądem (oraz Ziemię). 

Pole magnetyczne jest polem bezźródłowym, bezpotencjalnym, dipolowym 
(niemożliwość rozdzielenia biegunów magnetycznych N i S, wirowym (linie sił pola 
są liniami zamkniętymi). Zwrot linii sil ustalono na zewnątrz: od N do S; wewnątrz: 
od S do N. 
 
Pole magnetyczne magnesu sztabkowego. 

 

7.1. Pole magnetyczne działające na poruszające się cząstki: 

Siła Lorentza - działająca na ładunek poruszający się z prędkością v w polu 

magnetycznym:     

 

 

Zwrot tej siły określa się regułą lewej 
dłoni (lub trzech palców lewej ręki) 
 

Gdy prędkość cząstki (q > 0) jest prostopadła 
do wyznaczonych linii pola, to działa na nią 
siła magnetyczna o największej wartości F

max

 

(rys. b) 

 
Jeśli cząstce naładowanej nadamy prędkość v prostopadłą do linii jednorodnego pola magnetycznego o indukcji B, 
to działająca na nią siła Lorentza (prostopadła do prędkości) stanowi siłę dośrodkową. Cząstka porusza się więc ze 
stałą szybkością po okręgu o promieniu 

 

Siła Lorentza w polu elektrycznym i magnetycznym

:             

 

Zastosowanie: cyklotron 

 
7.2. 

Pole magnetyczne przewodników z prądem

 

Poruszające się cząstki naładowane, a więc także prąd elektryczny, wytwarzają w otaczającej przestrzeni pole 
magnetyczne (doświadczenie Oersteda 1820r). W przypadku bardzo długiego, prostoliniowego przewodu z 
prądem o natężeniu I linie pola magnetycznego są okręgami, leżącymi w płaszczyznach prostopadłych do 
przewodu, a ich środki leżą na przewodzie. Zwrot linii pola zależy od kierunku prądu (reguła prawej dłoni). 

Wartość wektora indukcji w odległości r od przewodu

 jest wyrażona wzorem:

         

    [T – Tesla] 

 

 

 

gdzie 

µ

0

 jest przenikalnością magnetyczną próżni, a 

µ

r

 jest względną 

przenikalnością magnetyczną ośrodka, w którym znajduje się punkt o 
indukcji B (

µ

r

 = 1 dla próżni i 1,00001 dla powietrza, ok 300 dla stali 

0,99% C). 

 
Jednostka indukcji pola 
magnetycznego B 

 

             

 

Widok „z dołu” 

background image

VII. ELEKTROMAGNATYZM / Materiały do użytku własnego – Robert.Szczotka(at)gmail.com 

 

Jednostką natężenia pola magnetycznego H w układzie SI jest A/m. 

Gs (gaus) - 

jednostka indukcji magnetycznej w układzie CGS,   

 

 

Jeden zwój z prądem można traktować jako krótki magnes 
sztabkowy. Pole magnetyczne (wartość indukcji) w środku 
takiego przewodnika kołowego przedstawia rysunek po lewej 
stronie (R – promień obwodu). 
 
Wartość wektora indukcji wewnątrz zwojnicy (solenoid, cewka 
- rysunek po prawej): 
gdzie n to liczba wszystkich zwojów, l - długość zwojnicy, a N 
– liczba zwojów na jednostkę długości.

 

Pole magnetyczne na zewnątrz niezbyt długiej zwojnicy z prądem przypomina także 
pole magnetyczne magnesu sztabkowego, zatem zwojnicy można przyporządkować bieguny magnetyczne. Ich położenie 
zależy od kierunku prądu ( jeśli cztery palce zaciśniętej prawej dłoni ułożymy zgodnie z kierunkiem przepływu prądu to 
wyprostowany kciuk wskaże kierunek linii pola magnetycznego wewnątrz zwojnicy
 – biegun N)

.     

 

7.3. Siła elektrodynamiczna   

Jeśli cząstki naładowane poruszają się w przewodniku ruchem uporządkowanym, czyli w przewodniku płynie prąd o natężeniu 
I, to w polu magnetycznym o indukcji B na przewodnik o długości l działa 

makroskopowa siła magnetyczna wyrażona wzorem:   

                 

 

             

 

Siła ta nosi nazwę siły elektrodynamicznej.   

 

Zwrot tej siły także określa się 

regułą lewej dłoni 

(zwaną zasadą Fleminga)

.   

„Jeśli linie sił pola magnetycznego skierowane do lewej dłoni (przebijają 
wewnętrzną stronę dłoni), a wyprostowane palce wskazują zwrot płynącego 
prądu, wtedy odchylony kciuk wskazuje zwrot siły elektrodynamicznej". 

Zastosowanie - w silnikach prądu stałego i w miernikach elektrycznych (na jej 

wykorzystaniu opiera się zasada działania amperomierzy i woltomierzy). 

 
7.4. Pole magnetyczne przewodników z prądem – prawo Ampera

 

Dwa długie, prostoliniowe, wzajemnie równoległe przewody z prądem przyciągają się siłą magnetyczną, gdy płyną 

w nich prądy w zgodnych kierunkach, a odpychają się, gdy 
kierunki prądów są przeciwne. Zjawisko to jest 
konsekwencją faktu, że każdy przewód z prądem wytwarza 
pole magnetyczne, a drugi przewód znajduje się w tym 
polu

 

 

Przewodnik 1 w którym płynie prąd o 
natężeniu I, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Natężenie 
tego pola w miejscu gdzie znajduje się przewodnik 2 

wynosi

  a indukcja 

magnetyczna

 

i ma zwrot za 

płaszczyznę kartki (rysunku).   
Siła elektrodynamiczna działająca w polu 
magnetycznym wytworzonym przez 
przewodnik 1 na odcinek przewodnika 2 o 
długości l w którym płynie prąd o natężeniu I

2

 

ma wartość:                         

       

   

background image

VII. ELEKTROMAGNATYZM / Materiały do użytku własnego – Robert.Szczotka(at)gmail.com 
działa w płaszczyźnie rysunku i ma zwrot do przewodnika 1. Oczywiście siła działająca ze strony przewodnika 2 na odcinek o 
długości l przewodnika 1 ma identyczną wartość i kierunek oraz zwrot do przewodnika 2. 
.Prawo Ampera - Oddziaływanie elektrodynamiczne przewodników z prądem wykorzystujemy do zdefiniowania jednostki 
natężenia prądu. 

Jeden amper jest to natężenie prądu niezmieniającego się w czasie, który płynąc w dwóch nieskończenie 

długich przewodnikach prostoliniowych o znikomo małym przekroju kołowym umieszczonych w próżni 
równolegle do siebie w odległości 1 metra, powoduje oddziaływanie pomiędzy nimi siłą 2

10

-7

 N na każdy metr 

długości przewodników. 

 

7.5. Właściwości magnetyczne substancji 

Właściwości magnetyczne substancji określamy podając 
względną przenikalność magnetyczną ośrodka     

                             

µµµµ

r

 = B / B

O

     

gdzie B - indukcja magnetyczna w danym ośrodku, a B

0

 

- indukcja magnetyczna w próżni. 

Dla próżni przenikalność względna jest równa 

dokładnie 1. Dla paramagnetyków przenikalność 
względna jest niewiele większa od 1, dla diamagnetyków 
jest niewiele mniejsza od jedności. 

 

Diamagnetyki (

µ

r

 – niewiele mniejsza od 1) samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych i są odpychane przez 

magnes. Umieszczenie diamagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola 
magnetycznego skierowanego przeciwnie. Dla tych ciał względna przenikalność magnetyczna µ ośrodka jest nieco mniejsza 
od jedności (diamagnetyki nieznacznie osłabiają pole magnetyczne). Do diamagnetyków zalicza się: gazy szlachetne, prawie 
wszystkie metale i metaloidy nie wykazujące 
własności para- lub ferromagnetycznych (np.: 
bizmut, krzem, cynk, magnez, złoto, miedź) a także 
fosfor, grafit, woda oraz wiele związków 
chemicznych. Diamagetyczne są też DNA i wiele 
białek. 

Paramagnetyzm  (

µ

r

  –  niewiele  większa  od  1)  -  zjawisko  magnesowania  się  makroskopowego  ciała  w  zewnętrznym  polu 

magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk, 
jest on przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt 
silnych 

pól 

magnetycznych 

paramagnetyki 

wykazują  liniową  wielkość  namagnesowania  od 
pola  zewnętrznego.  Przykłady  paramagnetyków: 
tlen O

2

 , aluminium, platyna Pt, tlenek azotu (II) NO   

Ferromagnetyzm  –  zjawisko,  w  którym  materia 
wykazuje  własne,  spontaniczne  namagnesowanie. 
Jest  jedną  z  najsilniejszych  postaci  magnetyzmu  i 
jest  odpowiedzialny  za  większość  magnetycznych 
zachowań spotykanych w życiu codziennym. Razem 
z  ferrimagnetyzmem  jest  podstawą  istnienia  wszystkich  magnesów  trwałych  (jak  i  zauważalnego  przyciągania  innych 
ferromagnetycznych metali przez magnesy trwałe). 

 
Pętla histerezy magnetycznej (ferromagnetyków) 
Zewnętrzne pole magnetyczne, działające na materiały o strukturze domenowej nie tylko porządkuje poszczególnych 
momentów magnetycznych, ale w pierwszej kolejności przesuwa ściany domen, 
w których kierunki wypadkowego momentu magnetycznego pokrywają się lub 
są zbliżone do kierunku pola H , a potem obraca cale domeny. Ustawienie 
domen zgodnie z zewnętrznym polem powoduje wzrost indukcji magnetycznej 
w próbce (krzywa I na - zwana krzywą pierwotnego namagnesowania) aż do 
osiągnięcia nasycenia (wartość Bs na rys). Odpowiada to całkowitemu 
uporządkowaniu domen. Dalszy wzrost indukcji magnetycznej w próbce 
spowodowany będzie tylko wzrostem pola H (gdyż wszystkie domeny są już 
uporządkowane). 
Przy zmniejszaniu natężenie pola magnetycznego H, indukcja próbki będzie 
maleć, ale wzdłuż innej krzywej (krzywa II ). Oznacza to, że domeny nie 
wracają do pierwotnej orientacji. Przy całkowitym zaniku pola H indukcja w 
próbce posiadać będzie wartość Br różną od zera, zwaną indukcją szczątkową 
(pole remanencji, indukcja szczątkowa, pozostałość magnetyczna). 

Wartości przenikalności względnych dla wybranych materiałów 

Miedź 

0,999 99 

Próżnia 

Powietrze 

1,000 000 37 

Aluminium 

1,000 020 

Izotropowa blacha elektrotechniczna (Fe

96

Si

4

* 7 000 

Anizotropowa blacha elektrotechniczna Fe

97

Si

3

* 100 000