Magnety

Slovo magnet je odvozeno od názvu řeckého města Magnesia (dnes se město jmenuje Manisa a leží v Turecku). Ve starověku nacházeli lidé v okolí tohoto města zvláštní nerost magnetovec. Tento kámen byl přírodním magnetem – přitahoval drobné železné předměty. Žádné zvláštní využití pro něj tehdy nenašli. To ve staré Číně se podle některých zdrojů používal magnetovec k určování světových stran už kolem roku 200 před naším letopočtem. Model takového zařízení ve tvaru lžíce vidíte na obrázku. V 11. století se pak kompas dostal do Evropy a stal se nepostradatelnou pomůckou všech mořeplavců.

Dnes víme, že střelka kompasu se otáčí, protože reaguje na zemské magnetické pole (viz motivační aktivita). V roce 1820 přišel dánský fyzik Hans Christian Oersted na to, že magnetické pole se objevuje také kolem vodiče, kterým protéká elektrický proud. Podobný pokus si snadno můžete sami vyzkoušet (viz obrázek 19.8). Tím bylo potvrzeno, že elektrické a magnetické jevy jsou spolu provázané.

Jak popisujeme magnetické pole?

Magnetické pole se v mnohém liší od pole elektrického a gravitačního. Jeho zkoumání začneme pomocí jednoduché pomůcky – magnetické střelky. Magnetická střelka je v principu malý magnet se dvěma póly, který se otáčí ve směru magnetického pole. Jeden pól bývá označen jako severní. Je to ten, který se otáčí směrem k zeměpisnému severu. Magnetická střelka má většinou pevnou osu a může se otáčet pouze v jedné rovině. Kompas proto reaguje jen na vodorovnou složku magnetického pole Země. Na obrázku si můžete prohlédnout otočnou konstrukci střelky, která umožňuje měřit směr magnetického pole také ve svislé rovině.

Křivky, které zobrazují směr vektoru \(\Vec{B}\), nazýváme magnetické indukční čáry. Pomocí indukčních čar můžeme znázorňovat tvar magnetického pole podobně, jako jsme to dělali u pole gravitačního a elektrického pomocí siločar. Na ilustraci vidíte magnetické indukční čáry tyčového magnetu. Směr indukčních čar byl určen dohodou takto: indukční čáry vycházejí ze severního pólu magnetu (N jako north) a vracejí se zpět v oblasti kolem jižního pólu (S jako south). V obrázku 19.10 jsou indukční čáry nakresleny pouze okolo magnetu, ale magnetické pole se nachází i v jeho vnitřním objemu. Indukční čáry vždy tvoří uzavřené křivky.

19.10 – Magnetické pole můžeme zmapovat pomocí magnetické střelky. Střelka se vždy natočí tak, že její severní pól (označený červeně) ukazuje směr vektoru B.
Zdroj

Kontrolní otázka

Pokud půjdete podle kompasu stále na sever, půjdete směrem

k severnímu pólu zemského magnetu,
k jižnímu pólu zemského magnetu

Odeslat  

Pro praktické účely se vyrábějí trvalé magnety různých tvarů. Pro zviditelnění jejich magnetického pole můžeme použít také železné piliny, které slouží jako malinké kompasy. Natočí se a seřadí ve směru indukčních čar. Ty, které se dostanou do blízkosti pólů, jsou přitaženy k magnetu.

Magnetická indukce neslouží jen k určení směru, ale také velikosti magnetického pole. Její jednotkou v soustavě SI je tesla (T). Velikost magnetické indukce je možné je možné měřit například pomocí teslametru neboli Hallovy sondy. Její princip je objasněn v odstavci 19.3. Pro přibližnou představu uvádíme v tabulce hodnoty magnetické indukce v různých situacích.

Feromagnetické látky

V tomto odstavci podrobněji prozkoumáme vlastnosti feromagnetických látek. Jako feromagnetické označujeme látky, které výrazně zesilují magnetické pole. Jak napovídá název, nejvýznamnějším zástupcem těchto látek je železo a některé jeho slitiny či oxidy. Feromagnetický je také nikl a kobalt. Feromagnetické látky poznáme jednoduše podle toho, že jsou přitahovány magnetem. Rovněž trvalé magnety vznikly zmagnetováním feromagnetické látky. Čím jsou tyto látky zvláštní? Jejich tajemství se ukrývá v jejich krystalické struktuře. Některé atomy mají své vlastní magnetické pole, chovají se jako miniaturní magnety. V běžné látce jsou ale tyto atomy uspořádány nahodile, a jejich magnetická pole se proto vyruší (viz obrázek). Ve feromagnetické látce dojde k tomu, že sousedící atomy v určité oblasti sjednotí svoji magnetickou orientaci. V krystalu tak vznikne miniaturní magnet – magnetická doména. Tyto domény jsou opět uspořádány nahodile. Vložením do magnetického pole ale začnou magnetické domény měnit svoji velikost a orientaci. Tím vzniká vlastní magnetické pole uvnitř feromagnetické látky, která se stává magnetem (viz obrázek 19.12).

Po vyjmutí látky z magnetického pole se domény vrátí do původního nahodilého uspořádání jen částečně. Látka si zachová vlastní magnetické pole. Podle toho, jak silné magnetické pole v látce zůstane, rozlišujeme látky magneticky tvrdé a měkké. Magneticky tvrdé látky si zachovají silné magnetické pole a jsou z nich dobré trvalé magnety. Naopak magneticky měkké látky si po vyjmutí z magnetického pole uchovají jen minimální magnetizaci. Magneticky měkké je třeba obyčejné železo, ze kterého se vyrábí hřebíky. Naopak z magneticky tvrdé oceli jsou například jehly či nože. V současnosti nejsilnější magnety se vyrábějí ze slitiny neodymu, železa a boru, proto se jim říká stručně neodymové. Silné magnetizace slitiny je dosaženo tím, že je lisována z prášku v silném magnetickém poli. Díky tomu, že si magnet uchovává svoji magnetizaci i při „setkání“ s jiným magnetem, sledujeme známé přitahování opačných pólů a odpuzování pólů souhlasných.

Poznámka na okraj: Hysterezní křivka

Chceme-li přesně popsat magnetické pole uvnitř feromagnetické látky, musíme k tomu zavést veličinu zvanou magnetizace \(\Vec{M}\). Magnetická indukce \(\Vec{B}\) uvnitř látky se pak skládá ze dvou příspěvků, a to magnetické intenzity \(\Vec{H}\) (popisuje vnější pole) a magnetizace \(\Vec{M}\) (popisuje pole vytvořené látkou). Platí

\[ \Vec{B} = \mu\Vec{H} = \mu_0(\Vec{H} + \Vec{M})\;. \]

Aby to nebylo tak jednoduché, tak magnetizace \(\Vec{M}\) závisí na vnějším magnetickém poli \(\Vec{H}\) a ještě navíc na předchozím stavu magnetu. Tuto závislost můžeme popsat pomocí hysterezní křivky, která vyjadřuje závislost magnetizace \(\Vec{M}\) na intenzitě magnetického pole \(\Vec{H}\) při plynulé změně intenzity magnetického pole. Jinými slovy jde o graf podávající informaci o tom, jak materiál reaguje na vnější magnetické pole.

Magnety

Příklad 1

Použijte teorii magnetických domén k vysvětlení těchto jevů:

1. Jaké magnety vzniknou, pokud rozlomíme tyčový magnet na dvě části?
2. Kolik pólů může mít trvalý magnet?
3. Proč se magnetka přitahuje k magnetické tabuli oběma stranami?

Řešení:

a) Vzniknou dva stejné magnety s jižním a severním pólem (viz obrázek 19.15). Je to proto, že v tyčovém magnetu jsou magnetické domény uspořádány zhruba stejně v celém jeho objemu.

b) Počet pólů musí být sudé číslo. Magnet může mít více pólů, ale základní jednotkou je vždy magnetická doména – dipól obsahující dva póly.

c) Železo samo o sobě není zmagnetované. Zmagnetuje se až v poli magnetu souhlasně s jeho orientací. Tím pádem budou vedle sebe vždy dva opačné póly.