Pole magnetyczne i jego wpływ na ruch

Co to jest pole magnetyczne?

Pole magnetyczne powstaje w wyniku ruchu ładunków elektrycznych i można je zdefiniować jako obszar wokół magnesu, w którym odczuwalny jest wpływ magnetyzmu. Jest to pole siłowe, które oddziałuje na materiały, takie jak żelazo, znajdujące się w jego pobliżu.
Pole magnetyczne nie wymaga propagacji w ośrodku i może istnieć nawet w próżni. Ma większą zdolność magazynowania energii niż pole elektryczne, co czyni je niezwykle użytecznym w elektromechanicznych urządzeniach, takich jak transformatory, silniki i generatory.

Historia badań nad polem magnetycznym

Badania nad polem magnetycznym rozpoczęły się w XIII wieku, kiedy Petrus Peregrinus de Maricourt wykorzystał igły magnetyczne, by zbadać magnetyzm kulistego magnesu. Odkrył on, że linie sił magnetycznych przecinają się w dwóch punktach, nazywanych biegunami magnetycznymi. W XVII wieku William Gilbert stwierdził, że Ziemia działa jak ogromny magnes.
W XVIII wieku Charles-Augustin de Coulomb dokładnie zmierzył pole magnetyczne Ziemi, a Simeon Denis Poisson opracował matematyczny model pola magnetycznego. Jednak XIX wiek przyniósł rewolucyjne odkrycia. W 1819 roku Hans Christian Orsted odkrył, że prąd elektryczny tworzy pole magnetyczne, a André-Marie Ampère zaproponował, że magnetyzm wynika z przepływu prądu, a nie z dipolów magnetycznych. W 1831 roku Michael Faraday odkrył indukcję elektromagnetyczną i udowodnił, że zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. W latach 1861-1865 James Clerk Maxwell opublikował równania opisujące związek między elektrycznością a magnetyzmem.
Dziś pole magnetyczne jest opisywane jako pole wektorowe, a jego przedstawienie zależy od kontekstu. Można je przedstawić za pomocą wektora pola magnetycznego lub linii pola magnetycznego, które obrazują kierunek i intensywność pola.
Linie pola magnetycznego są hipotetycznymi liniami, które otaczają magnesy i wskazują kierunek pola magnetycznego. Gęstość linii pola magnetycznego odpowiada sile pola magnetycznego - im większa gęstość, tym silniejsze pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest najmocniejsze wokół biegunów północnego i południowego magnesu, a słabnie w miarę oddalania się od biegunów. Można to zobaczyć w eksperymencie, w którym na arkusz białego papieru kładzie się magnes sztabkowy i rozsypuje opiłki żelaza wokół niego. Opiłki żelaza ułożą się w precyzyjny wzór, który odwzorowuje pole magnetyczne magnesu, a ich koncentracja będzie największa w okolicy biegunów, ale maleje w miarę oddalania się od biegunów.

Jak powstaje pole magnetyczne?

Pole magnetyczne może być wytwarzane nie tylko przez magnes, ale także przez poruszający się ładunek lub prądy elektryczne. Atomy składające się na materię posiadają jądro, w którym znajdują się protony i neutrony, a wokół jądra krążą elektrony. Pole magnetyczne powstaje w wyniku rotacji i wirowania protonów i neutronów lub jądra atomu. Kierunek pola magnetycznego jest określony przez kierunki orbity i rotacji. Pole magnetyczne jest reprezentowane matematycznie przez literę "B", a jednostką jego siły jest tesla (T).

Natężenie pola magnetycznego

Natężenie pola magnetycznego, zwane również intensywnością magnetyczną lub siłą pola magnetycznego, jest oznaczane symbolem H i jest wektorem.
Można je zdefiniować jako stosunek wymagany do wytworzenia określonej gęstości strumienia magnetycznego (B) w określonym materiale na jednostkę długości tego materiału. Natężenie pola magnetycznego jest mierzone w jednostkach amper/metr.
Wzór na natężenie pola magnetycznego można przedstawić jako:
H = B/μ - M
Gdzie:
B - gęstość strumienia magnetycznego
M - namagnesowanie
μ - przenikalność magnetyczna
Tesla to jednostka natężenia pola magnetycznego. Jedna tesla (1 T) to natężenie pola wytwarzającego jeden niuton siły na amper prądu na metr przewodnika.

Jak powstaje pole magnetyczne?

Pole magnetyczne może powstać, gdy ładunek jest w ruchu. Istnieją dwa sposoby ułożenia ładunku tak, aby był w ruchu i dalej generował użyteczne pole magnetyczne. Pole magnetyczne może być generowane zawsze, gdy ładunek elektryczny jest w ruchu. Działanie magnesów trwałych opiera się na ruchu elektronów wokół jąder. Tylko z niektórych materiałów można zrobić magnesy, a niektóre są znacznie silniejsze od innych.

Pole magnetyczne Ziemi

Sir William Gilbert po raz pierwszy zmapował ziemskie pole magnetyczne w 1600 roku. Na podstawie swoich testów odkrył, że Ziemia ma właściwości magnetyczne i pole magnetyczne. Jeśli magnes jest swobodnie zawieszony i może obracać się w pozycji poziomej, automatycznie wyrówna się i zatrzyma w kierunku północ-południe.
Magnes zostanie ustawiony w taki sposób, że biegun północny będzie przyciągany do geograficznego południa, a biegun południowy do geograficznej północy.

Hipoteza o źródle pola magnetycznego Ziemi

Istnieje także hipoteza mówiąca o tym, że pole magnetyczne Ziemi jest generowane przez dynamo magnetyczne. Według tej teorii, ruch płynów w jądrze Ziemi w połączeniu z efektem Coriolisa i różnicami w temperaturze generuje prądy elektryczne, które z kolei wytwarzają pole magnetyczne.
Nie ma jednoznacznej odpowiedzi na to, które z tych hipotez jest najbardziej poprawne, ale wiele badań naukowych skłania się ku teorii o dynamo magnetycznym. W każdym razie pole magnetyczne Ziemi jest niezwykle ważne dla naszego życia na Ziemi, ponieważ ochrania nas przed szkodliwym wpływem wiatru słonecznego i kosmicznych promieniowania.

Właściwości linii pola magnetycznego:

Linie pola magnetycznego nigdy się nie przecinają.
Linie poruszają się po ścieżce najmniejszego oporu między przeciwległymi biegunami magnetycznymi. Linie pola magnetycznego magnesu sztabkowego poruszają się w zamkniętych pętlach od jednego bieguna do drugiego.
Linie pola magnetycznego mają taką samą długość.
Gęstość linii pola maleje, gdy przechodzą one z obszaru o większej przepuszczalności do obszaru o mniejszej przepuszczalności.
Linie poruszają się od bieguna południowego do bieguna północnego w materialnym polu magnetycznym, podczas gdy w powietrzu płyną od bieguna północnego do bieguna południowego.
Gęstość pola magnetycznego zmienia się wraz z odległością od bieguna. Ich gęstość maleje w miarę oddalania się od bieguna.
Ponieważ pole magnetyczne ma zarówno wielkość, jak i kierunek, jest wielkością wektorową.