A mágnesesség jelensége régóta foglalkoztatja az emberiséget, a mágnesek egymásra és vastárgyakra gyakorolt erőhatása a mindennapok része. A Föld is óriási mágnesként működik, melynek egyik pólusa az északi, másik a déli sark közelében található. Ez a mágneses mező alapvető szerepet játszik bolygónk védelmében, hiszen a Napból és a kozmikus térből érkező nagy sebességű töltött részecskéket eltéríti. A sarki légkörben ezek a részecskék ütközések következtében energiájukat vesztik, miközben a levegő molekuláit gerjesztik, létrehozva a lenyűgöző sarki fényt.
A XIX. század elején a tudósok még úgy gondolták, hogy a mágnesesség korlátozottabb jelenség, mint az elektromosság. Kísérletek bizonyították, hogy dörzsöléssel minden test elektromos állapotba hozható, de nem minden test mágnesezhető. Például a vas mágnesezhető, de a réz nem. Azonban hamarosan kiderült, hogy a mágnesesség és az elektromosság szorosan összefügg. A rézdrót alatt elhelyezett iránytűvel végzett kísérletek rávilágítottak, hogy nem a réznek, hanem a rézdrótban mozgó töltéseknek van szerepe a mágnesességben.
Mágneses mező és az indukcióvonalak
A mágnes és a vasreszelék közötti kölcsönhatást az anyag egy sajátos formája, a mágneses mező közvetíti. A mágneses mező vizsgálatára alkalmas minden olyan eszköz, amely kölcsönhatásba lép a mágneses mezővel, mint például egy kisméretű iránytű. Az iránytű pólusaira a mágneses mezőben erő hat; a különböző pólusokra ható erők egyenlő nagyságúak, de ellentétes irányúak. Az így fellépő erőpár hatására az iránytű elfordul. Azonban fennáll annak a veszélye, hogy egy kis méretű iránytű erősebb külső mágneses térbe helyezve átmágneseződik. Ezért célszerűbb a mágneses mezőt olyan eszközzel vizsgálni, amely az iránytűhöz hasonlóan kölcsönhatásba lép a mágneses mezővel, de a mező hatására nem változtatja meg állapotát.
A magnetométer, egy "N" menetű kis méretű lapos tekercs, melynek párhuzamos száraiban ellentétes irányú az áram, ideális eszköz a mágneses mező vizsgálatára. A mágneses indukciót a mező minden pontjában elhelyezett kicsiny magnetométer segítségével határozhatjuk meg. Minden más esetben a magnetométerre forgatónyomaték hat, melynek szorzatát mágneses nyomatéknak nevezzük. A mágneses indukció vektor nagyságát a magnetométerre ható maximális forgatónyomaték és a mágneses nyomaték hányadosa adja. Ha a magnetométer síkja nem párhuzamos a mágneses indukció vektorokkal, akkor a forgatónyomaték számításánál a B vektornak csak a felület irányába eső komponensét kell figyelembe venni.
A mágneses mező szemléltetésére szolgálnak a mágneses indukcióvonalak. Hosszú egyenes áramjárta vezető körül a mágneses indukcióvonalak zárt koncentrikus körök. A mágneses mező örvényes jellegű, ami az indukcióvonalak elhelyezkedéséből is látszik. Örvényes mezőben a zárt görbe mentén végzett munka összege nem nulla. Nem konzervatív, mert a mezőben két pont között végzett munka függ a pálya hosszától, nemcsak a két pont helyzetétől. A mágneses mezőben is igaz a szuperpozíció elve: ha több áram hozza létre a mágneses mezőt, akkor az áramokat gondolatban körbevehetjük egy zárt görbével.
Tekercs belsejében mozgó elektronok és az erőhatás
Az áramjárta tekercs mágneses terének jelentős része a tekercs belsejében van, azon kívül elhanyagolható. A tekercsben kialakuló mágneses mező közel homogén. Az áramjárta körtekercs által gerjesztett mágneses mező jelentős része a tekercsen belül helyezkedik el. A gerjesztő hatás nagysága (H) a körtekercsben közel állandó. A jobbkéz-szabály segítségével könnyedén meghatározható az indukció iránya: úgy fogjuk meg a körvezetőt a jobb kezünkkel, hogy behajlított négy ujjunk az áram irányába mutasson, ilyenkor a kinyújtott hüvelykujjunk mutat az indukció irányába.
Elsőbbségadás sorozat 3. rész: a jobbkéz-szabály és a kanyarodás szabálya
Az erőhatás akkor a legnagyobb, ha a vezető és a mágneses indukció egymásra merőlegesek. Nem tapasztalunk erőhatást, ha az áram iránya és a mágneses indukció iránya megegyezik. Könnyen meghatározhatjuk az erőhatás nagyságát, ha mágneses mezőbe gondolatban egy egymenetes magnetométert helyezünk úgy, hogy síkja párhuzamos legyen a mágneses indukcióval. Az erőpár forgatónyomatékát kétféleképpen is leírhatjuk. Ha az áramvezető és a mágneses mező egymással α szöget zár be, akkor a mágneses indukciónak csak a vezetőre merőleges komponensét kell figyelembe venni.
A mágneses mezőnek az áramvezetőre gyakorolt hatásából következik, hogy két párhuzamos áramvezető bármelyikére erőt fejt ki a másik mágneses mezeje. Az áramvezetők mágneses kölcsönhatásának törvényét Ampere fedezte fel 1820-ban.
Lorentz-erő és a töltött részecskék mozgása
A mágneses mezőben lévő áramvezetőre ható erőből a Lorentz-erő könnyen meghatározható, hiszen ott is töltések mozdulnak el mágneses mezőben. A fénysebesség tizedével száguldó elektronok a Föld mágneses mezőjébe kerülve körpályára kényszerülnek. Egyenletes körmozgást végezne a töltés. A Napból és a kozmikus térségből folytonosan nagy sebességű töltött részecskék érik el a földi légkört. A föld mágnesességének tehát nagy szerepe van a kozmikus sugárzás megfékezésében, és így a földi élet védelmében.
A Lorentz-erő nem befolyásolja a töltés mozgását a mágneses mezőben, ha az a mágneses tér indukcióvonalaival párhuzamosan mozog. Azonban, ha merőlegesen mozog, vagy van a sebességvektornak a mágneses indukcióra merőleges komponense, akkor a Lorentz-erő hatására a töltött részecske körmozgást végez. Ez a jelenség számos technológiai alkalmazás alapja.
Példák a Lorentz-erő alkalmazására:
- Katódsugárcsövek: A TV képcsövében is mágneses mező segítségével térítik el a gyorsan mozgó elektronokat, és ennek következtében rajzolódik ki a kép.
- Elektronmikroszkópok: Mágneses lencsék térítik el a gyorsan mozgó elektronokat, így jön létre az az interferenciakép, amelyből lehet következtetni a tárgyra.
- Tömegspektroszkópok: Gyakran elterjedt eljárás, hogy mágneses mező segítségével választják külön a különböző tömegű és töltésű részecskéket.
- Részecskegyorsítók: A Genf melletti CERN-ben található LHC, a nagy hadron ütköztető, ahol 7 TeV energiájú protonnyalábokat kívánnak ütköztetni, szintén a mágneses mezők és a Lorentz-erő elvén működik.
Anyagok mágneses tulajdonságai és a mágneses indukció
Egy "N" menetű tekercset egyik meneténél széthúzunk úgy, hogy a tekercs belsejében magnetométert tudjunk elhelyezni. Légüres térben megmérjük, hogy mekkora lesz a maximális forgatónyomaték. Ebből kiszámítható, hogy vákuumban adott gerjesztés mellett mekkora a mágneses indukció. Ha nem változtatjuk a gerjesztő hatás erősségét, de a tekercs belsejében különböző minőségű anyagokat helyezünk, akkor a maximális forgatónyomaték megváltozik.
- Ha a tekercsbe vasat, kobaltot, vagy nikkelt teszünk (ferromágneses anyagok), akkor a mágneses indukció 200-106 szeresére nő.
- Ha a tekercsbe alumíniumot, vagy mangánt teszünk (paramágneses anyagok), akkor a mágneses indukció alig növekszik.
- Ha a tekercsbe rezet, vagy aranyat teszünk (diamágneses anyagok), akkor a mágneses indukció kis mértékben csökken.
A ferromágneses anyagok mágneses mezőbe helyezve mágneseződnek, majd a mágneses mező megszűnése után is megőrzik mágneses tulajdonságaikat. Amper az anyagok mágneses viselkedését azzal magyarázta, hogy az elektronok mozgásából adódóan az anyag belsejében apró köráramok vannak. Magasabb hőmérsékleten a ferromágneses anyagok elvesztik mágneses tulajdonságaikat. Ilyenkor a hőmozgás következtében megszűnik a rendezettség, és ez okozza a mágneses tér elvesztését.
A mágneses indukció és a térerősség összefüggését a hiszterézis görbe írja le. Az OA szakaszon, ha növeljük a gerjesztő hatás erősségét, kezdetben a mágneses indukció vele egyenes arányban növekszik. Egy idő után az áramerősséget hiába növeljük a tekercsben, az indukció nem változik. Ennek az az oka, hogy a Weis-féle tartományok ilyenkor már beálltak a tér irányába. Ha csökkentjük az áramerősséget, akkor csökken a "B" és csökken a "H" is. Nulla térerősség esetén is mérünk mágneses indukciót (remanens mágneses indukció). Ez még mindig a Weis-féle tartományok rendezettségéből adódik. Ha ellentétes irányba növeljük az áramerősséget, lesz egy olyan érték, amikor a "B" éppen nulla lesz (C pont).
Elektromágnesek és alkalmazásaik
A lágy vasmagot tartalmazó tekercset elektromágnesnek nevezzük. Ez az eszköz nagy erőhatás kifejtésére szolgál. Nagy előnyt jelent, hogy az áram kikapcsolásával az emelőerő bármikor megszüntethető. A kialakuló mágneses tér kölcsönhatásba lép az állandó mágnes terével.
Az elektromágnesek számos területen megtalálhatók a modern technológiában:
- Elektromos csengő: Az elektromos csengő lényege egy elektromágneses áramszaggató.
- Hangszórók: A hangszóró tekercsének vasmagja mágnesezett lágyvas. A hang rezgéseit elektromos rezgéssé alakítják. Így a hangáramnak megfelelően változik a tekercsben folyó áramerősség, aminek következtében a tekercs mágneses tere is. A tekercs közelében lévő membrán a mágneses vonzóerő hatására rezgésbe jön, és visszaalakítja a mechanikai rezgéseket hanggá.
- Relék, mágneses daruk, orvosi képalkotó eszközök (MRI): Mindezek az elektromágnesek elvén működnek, kihasználva a mágneses mező vezérlési és erő kifejtési képességét.
A mágneses mező és az abban mozgó töltött részecskék, mint például az elektronok, alapvető jelenségek a fizika területén. Megértésük és alkalmazásuk kulcsfontosságú a modern technológia számos ágazatában, a kommunikációtól az orvostudományig.
tags: #tekercs #belsejeben #hossztengelyere #parhuzamosan #mozgo #elektron