Wykład FIZYKA II. 5. Magnetyzm

Transkrypt

1 Wykład FIZYKA II 5. Magnetyzm Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

2 ELEKTRYCZNOŚĆ I MAGNETYZM q q magnetyczny??? p. Gaussa E I B p. Gaussa dla magnetyzmu p. Biota-Savarta p. Ampera I B d B p. Faradaya uogólnione p. Ampera d E db dx d B de dx uogólnione p. Faradaya

3 MAGNESY Pierwszymi poznanym magnesem był magnetyt minerał, który w stanie naturalnym jest namagnesowany. Działanie magnesów dowodzi, że mogą one istnieć tylko jako dipole magnetyczne. Nie stwierdzono istnienia monopoli magnetycznych.

4 PRAWO GAUSSA DLA MAGNETYZMU PRZYPOMNIENIE: prawo Gaussa dla pól elektrycznych: 0 0 E ds E q wewn W przypadku pola magnetycznego BRAK monopoli ( ładunków ) magnetycznych, wobec tego: BdS 0 B 0 0

5 MAGNETYZM ZIEMSKI Ziemia jest również wielkim magnesem. Biegun magnetyczny nie pokrywa się jednak z biegunem geograficznym (osią obrotu). Deklinacja magnetyczna to kąt pomiędzy kierunkiem północy geograficznej a kierunkiem poziomej składowej wektora indukcji. Inklinacja magnetyczna to kąt pomiędzy płaszczyzną poziomą a kierunkiem wektora indukcji.

6 MAGNETYZM ELEKTRONU PRZYPOMNIENIE: Jeżeli elektrony poruszają się w przewodzie w postaci prądu elektrycznego, wytwarzają pole magnetyczne wokół tego przewodu Elektrony wytwarzają też pole magnetyczne na dwa inne sposoby. Są to: spinowy i orbitalny moment magnetyczny. Ich istnienie wyjaśnia mechanika kwantowa. Spinowy moment pędu (spin ) elektronu jest to własny moment pędu elektronu. Ze spinem wiąże się spinowy moment magnetyczny s e m S s S

7 Właściwości spinu: MAGNETYZM ELEKTRONU 1) Nie można zmierzyć wektora można zmierzyć jego składową wzdłuż wybranej osi (w związku z tym, nie można też zmierzyć ); 2) Mierzona składowa wektora jest skwantowana. S m h 2 m s S S Z s 2 1 s magnetyczna spinowa liczba kwantowa s, z e m S Z eh 4m 9, J / T magneton Bohra

8 MAGNETYZM ELEKTRONU Elektron ma także moment pędu względem jądra atomu, zwany orbitalnym momentem pędu, oraz związany z nim orbitalny moment magnetyczny. L orb, z m l h 2 e m orb L orb Jak poprzednio, możemy tylko zmierzyć składową z : m l 0, 1, 2,...,l magnetyczna orbitalna liczba kwantowa eh orb, z m l 4m

9 MATERIAŁY MAGNETYCZNE Momenty magnetyczne elektronów w ciele stałym dodają się wektorowo. Wypadkowa może być bardzo różna Spinowy moment pędu (spin) => magneton Bohra: s, z e S m Z eh 4m 9, J / T Orbitalny moment magnetyczny: eh orb, z m l 4m magnetyczna orbitalna liczba kwantowa m l 0, 1, 2,...,l

10 MATERIAŁY MAGNETYCZNE Diamagnetyzm to niemagnetyzm (por. analogia do dielektryków = izolatorów). Diamagnetyki, umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym, wytwarzają słabe wewnętrzne pole magnetyczne, skierowane przeciwnie do przyczyny, która je wywołała (por. reguła Lenza). Paramagnetyzm to trochęmagnetyzm (por. analogia do parapsychologia itp.). Paramagnetyki, umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym, wytwarzają słabe wewnętrzne pole magnetyczne, skierowane zgodnie z przyczynowym, wzmacniając je. Prawo Curie: (namagnesowanie) M C B T zewn

11 FERROMAGNETYZM Ferromagnetyki to najmocniejsze magnetyki; pole magnetyczne, indukowane przez pole zewnętrzne, może być wielokrotnie silniejsze a do tego pozostaje nawet po usunięciu zewnętrznego pola. Ferromagnetyzm powstaje, gdy wewnętrzna budowa ciała pozwala na powstanie tzw. domen magnetycznych układów atomów w krysztale, w których uporządkowanie dipoli atomowych jest całkowite. Histereza magnetyczna to zjawisko, w którym wartość pola magnetycznego zindukowanego w ferromagnetyku zależy od historii namagnesowania.

12 FERROMAGNETYZM Pozostałość magnetyczna B R (remanencja, namagnesowanie szczątkowe) i pole koercji H C (koercja). Ferromagnetyki miękkie koercja mniejsza niż 0,1 A/m (wielokrotne magnesowanie, np. rdzenie transformatorów) Ferromagnetyki półtwarde duża histereza, do zapisu informacji w twardych dyskach, kartach kredytowych itp. kompromis między ilością energii zgromadzonej w magnetyku a łatwością przemagnesowania. Ferromagnetyki twarde magnesy trwałe, maksymalna szerokość pętli histerezy, wartość koercji nawet do 20 MA/m

13 PRAWO AMPERE A PRZYPOMNIENIE: Zmienne pole magnetyczne indukuje pole elektryczne (prawo indukcji Faradaya): E ds d SYMETRIA: Zmienne pole elektryczne może indukować pole magnetyczne: B ds 0 PRZYPOMNIENIE: Prawo Ampere a: d E 0 ds B 0 I B Uogólnione prawo Ampere a: B ds d E I

14 PRAWO AMPERE A Uogólnione prawo Ampere a: B ds d E I Pierwszy człon z prawej strony musi mieć wymiar natężenia prądu: I prz 0 d Nazywamy go prądem przesunięcia jest to fikcyjny prąd, ale można go np. w przypadku kondensatora traktować jak prąd rzeczywisty (równy temu, który ładuje kondensator). E