fizika za osnovce
Magnetno delovanje
Pojava magnetizma poznata je još iz doba stare Grčke. U početku se vezivala za delovanje rude magnetit, ali kasnije se ispostavilo da i neka druga tela imaju ista svojstva kao magnetit. Jednim imenom, sva tela koja deluju putem magnetnog delovanja se zovu magneti.
Svaki magnet ima dva magnetna pola: severni magneti pol (N) i južni magnetni pol (S). Deljenjem magneta dobijaju se dva nova magneta koji imaju i severni i južni magnetni pol.
U zavisnosti od toga koji magnetni polovi deluju, magnetno delovanje je u nekim slučajevima privlačno, a u nekim odbojno. Istoimeni magnetni polovi se odbijaju, a raznoimeno magnetni polovi se privlače . (Vidi sliku i video klip)
Prema svom poreklu magnete možemo da podelimo na prirodne i veštačke, a prema svom obliku na šipkaste ,potkovičaste, u obliku igle... Veštački magneti se prave od čelika (koji se namagnetiše trajno), gvožđa (koje se namagnetiše privremeno), nikla i kobalta.
Kao sto se primećuje na video klipu, nije potrebno da se magneti dodiruju da bi međusobno delovali, zato magnetno delovanje spada u posredna delovanja tj. ostvaruje se preko posrednika. Posrednik kod magnetnog delovanja je magnetno polje.
Magnetno polje je deo prostora oko magneta unutar kojeg dolazi do magnetnog delovanja.
Za grafičko prestavljanje magnetnog polja koriste se linije sila magnetnog polja. To su zatvorene linije koje nemaju početak i kraj koje izlaze iz severnog magnetnog pola i ulaze u južni magnetni pol. Zbog osobine da su linije sila magnetnog polja zatvorene linije magnetno polje spada u vrtložna polja.
Broj linija sila koje prolaze kroz neku površinu zove se magnetni fluks. Magnetni fluks se obeležava slovom Ф, jedinica mere kojom se on izražava je veber [Wb].
Za opisivanje magnetnog polja koristi se vektorska fizička veličina koja se zove magnetna indukcija. Magnetna indukcija se obeležava slovom B, a jedinica mere kojom se ona izražava je tesla [T]. Kao i svaka druga vektorska veličina magnetna indukcija ima svoj pravac, smer i brojnu vrednost. Pravac vektora magnetne indukcije u nekoj tački se poklapa sa pravcem tanglente na liniju sila u posmatranoj tački polja, a njen smer je određen smerom linija sila.
Intenzitet vektora magnetne indukcije se računa po formuli:
što nam omogućava da definišemo jedinicu mere tesla:
Fizički smisao linija sila je da njihova gustina pokazuje intenzitet vektora magnetne indukcije - što su linije sila gušće, magnetna indukcija je veća. Sa slike na kojoj su predstavljene linije sila magnetnog polja šipkastog magneta se može zaključiti da je magnetno polje najjače u blizini polova.
Magnetno polje Zemlje
Za orijentaciju na morima već oko 2000 godina se koristi kompas. Danas je, zahvaljujući satelitskoj navigaciji i GPSu, kompas na neki način prevaziđen, ali je i dalje sastavni deo opreme svakog broda. Osnovni deo kompasa je magnetna igla koja pokazuje pravac sever - jug.
Kako funkcioniše kompas?
Kompas fukncioniše zahvaljujući tome da je Zemlja magnet. Kao i svaki drugi magnet i Zemlja ima svoje magnetne polove. Na Našu sreću, magnetni polovi Zemlje i njeni grografski polovi (da se podsetimo, geografski polovi su tačke u kojima osa rotacije Zemlje prolazi kroz njenu površinu) se nalaze prilično blizu, pa se polovi magnetne igle kompasa okreću ka magnetnim polovima Zemlje i na taj način (zbog bliskosti geografskih i magnetnih polova Zemlje) i na taj način približno pokazuju pravac sever - jug.
Pošto se magnetna igla kompasa okreće tako da je njen severni magnetni pol okrenut ka severu može se zaključiti da se on okreće ka južnom magnetnom polu Zemlje. To znači da se magnetni i geografski polovi ne samo ne poklapaju, nego i da su suprotno orijentisani - u blizini severnog geografskog pola Zemlje nalazi se njen južni magnetni pol i obrnuto, u blizini južnog geografskog pola Zemlje nalazi se njen severni magnetni pol.
Magnetno polje električne struje
Početkom 19. veka danski fizičar Hans Kristijan Ersted, inspirisan pričama mornara da kompas u trenutku bljeska munje ne pokazuje pravac sever - jug, nego neki drugi pravac, je izveo ogled kojim je želeo da proveri eventualni uticaj električne struje (munja je inače ogromna varnica, pa je samim tim i oblik električne struje) na magnetnu iglu.
Sam ogled je relativno jednostavan - pored provodnika koji je deo strujnog kola postavio je kompas. Dok kroz provodnik nije proticala elekrtična struja, kompas je pokazivao pravac sever - jug, a kada bi kroz provodnik pusti električnu struju da protiče magnettna igla kompasa bi promenila položaj i ne bi više pokazivala pravac sever - jug. Ako bi pustio kroz provodnik struju veće jačine, igla bi više skrenula u odnosu na prvobitni pravac. Kada bi isključio struju, magnetna igla kompasa bi se vraćala u prvobitni položaj tj. opet bi pokazivala pravac sever - jug. U fazi eksperimenta je promenio smer proticanja struje, pa bi se u tom slučaju promenio i smer skretanja magnetne igle.
Na osnovu Erstedovog ogleda se mogu izvući sledeći zaključci:
-
Oko provodnika kroz koji protiče električna struja postoji magnetnoo polje
-
Magnetno polje stvaraju naelektrisane čestice koje se kreću. Ovaj drugi zaključak se izvodi iz definicije električne struje i prvog zaključka. Naime, električnu struju čini usmereno kretanje naelektrisanih čestica, a električna struja stvara magnetno polje zaključuje se da magnetno polje stvaraju naelektrisane čestice koje se kreću.
Kao i svako drugo magnetno polje magnetno polje električne struje se može predstaviti linijama sila magnetnog polja. Najjednostavniji oblik imaju linije sila pravolinijskog strujnog provodnika. Linije sila pravolinijskog strujnog provodnika su koncentrične kružnice sa centrom u provodniku koje leže u ravni koja je normalna na pravac provodnika. Smer linija sila pravolinijskog strujnog provodnika se određuju pravilom desne ruke: Ako se provodnik obuhvati desnom rukom tako da ispružen palac pokazuje smer proticanja struje, onda savijeni prsti pokazuju smer linija sila magnetnog polja (videti sliku).
U praksi su mnogo značajnije linije sila kružnog strujnog provodnika. Ispostavlja se da linije sila magnetnog polja sa jedne strane ulaze u u ravan obuhvaćenu provodnikom, a sa druge strane izlaze iz njega, pa se sa jedne strane provodnika formira severni magnetni pol, a sa druge strane južni magnetni pol, pa se takav provodnik ponaša kao magnet i zove se magnetni dipol. Severni magnetni pol se formira na osi koja prolazi kroz centar kružnog provodnika, a severni magnetni pol se nalazi na onoj strani na kojoj linije magnetnog polja izlaze iz ravni obuhvaćene provodnikom.
Ovako dobijen magnet je veoma slab, pa da bi se pojačalo njegovo dejstvo savijanjem provodne žice dobija se niz spojenih kružnih provodnika. Na taj način se dobija elektrotehnička komponenta koja se zove kalem, zavojnica ili solenoid. Linije sila magnetnog polja solenoida je prikazano na slici ispod. Sa slike može da se zaključi da je magnetno polje solenoside tj. njegove linije sila jednako magnetnom polju stalnog magneta, pa samim tim ima i i ste magnetne osobine. Da bi se dodatno pojačalo magnetno polje solenoida unutar njega se ubacuje jezgro od mekog gvožđa. Solenoid ispoljava svoja magnetna dejstva isključivo kada korz njega protiče električna struja, pa se zato yove elektromagnet.
Za određivanje smera linija sila magnetnog polja i u ovom slučaju se koristi pravilo desne ruke, samo što se u ovom slučaju desna ruka postavlja tako da savijeni prsti pokazuju smer proticanja struje, a ispruženi palac pokazuje smer linija sila unutar solenoida tj. pokazuje na kojoj strani solenoida se nalazi njegov severni magnetni pol.
Dejastvo magnetnog polja na strujni provodnik
Francuski fizičar Amper se bavio pitanjem dejstva magnetnog polja na strujni provodnik tj. šta će se dogoditi sa srujnim provodnikom kada se on postavi unutar magnetnog polja. Posle niza eksperimenata došao je do zaklljučka da na strujni provodnik koji se nalazi u magnetnom polju, deluje sila koja teži da pomeri taj provodnik. Ta sila je kasnije dobila ime Amperova sila.
Jačina amperove sile zavisi od magnetne idukcije spoljašnjeg polja, jačine električne struje koja protiče kroz provodnik i dužine provodnika koja se nalazi u magnetnom polju:
Osim nabrojanih veličina, jačina amperove sile zavisi i od ugla između provodnika i pravca vektora magnetne indukcije. Sila je najveća kada je navedeni ugao 90 stepeni tj. kada je provodnik normalan na pravac vektora magnetne indukcije, a najmanja je kad je ugao 0 stepeni tj. kada je provodnik praralelan sa pravcem vektora magnetne indukcije.
Pravac i smer ove sile mogu se odrediti na različite načine. Najjednostavniji je pravilom tri prsta- ako 3 prsta desne ruke postavimo da budu normalni jedan u odnosu na druge tako da kažiprst pokazuje pravac i smer proticanja električne struje, srednji prst da pokazuje pravac i smer magnetne indukcije, onda palac pokazuje pravac i smer delovanaj sile (slika ispod).
Magnetnim delovanjem deluju i provodnici kroz koje protiče električna struja. Svaki od provodnika stvara magnetno polje usled čega dolazi do uzajamnog delovanja između provodnika. U slučaju paralelnih provodnika kroz koje protiče električna struja istog smera, provodnici se privlače, a ako su smerovi proticanja električnih struja suprotni, provodnici se odbijaju.
