Prąd elektryczny Wszystkie atomy i cząsteczki w naszym otoczeniu są w nieustannym ruchu. Ten ruch, bez względu na to, czy atomy są naładowane czy nie jeszcze nie tworzy prądu elektrycznego. Prąd pojawia się dopiero wtedy, gdy w tym ruchu chaotycznym zostanie wyróżniony jakiś kierunek, preferujący poruszanie się w jakąś stronę. Najczęściej wyróżnienie kierunku w ruchu ładunków odbywa się poprzez przyłożenie pola elektrycznego. + -

Umownym kierunkiem prądu jest kierunek wyznaczony przez ruch ładunków dodatnich (czyli kierunek zgodny z kierunkiem pola elektrycznego).   Rzeczywisty ruch ładunków elektrycznych: metale - nośnikami prądu są elektrony - kierunek ich ruchu jest dokładnie przeciwny do umownego kierunku prądu elektrolity - nośnikami prądu mogą być jony (+ lub -). Jony te poruszają się przeciwne strony, jednak prądy jakie są z nimi związane dodają się, bo prąd jonów ujemnych jest traktowany jako przeciwny do ich ruchu; półprzewodniki - nośnikami mogą być zarówno ujemne elektrony, jak i dodatnie dziury – dziury tworzą prąd zgodny z ich kierunkiem ruchu, prąd elektronowy jest przeciwny do ruchu ładunków go tworzących;

Pole magnetyczne prądu stałego Magnes trwały – ma dwa bieguny - biegun północny N i biegun południowy S.                                                                                                                                                                                 Podział magnesu nie prowadzi do rozdzielenia biegunów.   Przestrzeń, w której działają siły magnetyczne nazywamy polem magnetycznym. Przyjmuje się, że zwrot linii pola magnetycznego jest ustawiony od bieguna północnego N do bieguna południowego S.                                                                                                                                

doświadczenie Oersteda - opiłki żelazne wokół przewodnika z prądem - linie sił pola magnetycznego

Pole magnetyczne pętli przewodnika prostoliniowego solenoidu

Właściwość przestrzeni wokół przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny, w której na inne przewodniki lub swobodnie poruszające się ładunki elektryczne działają siły magnetyczne, nazywamy polem magnetycznym. Na ładunek próbny poruszający się w polu elektromagnetycznym działa siła Lorentza definiuje pole elektryczne definiuje pole magnetyczne – wektor indukcji pola magnetycznego

Jeżeli ładunek porusza się w polu magnetycznym, to wartość maksymalnej siła działającej na niego gdy Ze związku możemy określić wartość wektora indukcji w danym punkcie pola.

Kierunek i zwrot wektora indukcji są określone przez iloczyn wektorowy Makroskopowym przejawem siły Lorentza jest siła elektrodynamiczna – siła działająca na przewodnik, w którym płynie prąd, umieszczony w polu magnetycznym.

Siła elektrodynamiczna Zwrot określa reguła lewej dłoni (reguła Fleminga)

Własności magnetyczne materii Skąd się bierze naturalny magnetyzm?

Pole magnetyczne towarzyszy przepływowi prądu Pole magnetyczne towarzyszy przepływowi prądu. Atomy tworzące materię zawierają krążące po orbitach zamkniętych elektrony – mikroskopijne pętle z prądem – prądy molekularne. Moment magnetyczny takiej pętli W przypadku wielu materiałów te mikropętle są przypadkowo rozłożone w przestrzeni, tak że ich wypadkowy moment magnetyczny = 0. Przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne może tak zorientować mikropętle, że momenty magnetyczne dodadzą się – następuje namagnesowanie substancji. W niektórych materiałach mikropętle są zorientowane, tak że moment magnetyczny jest różny od zera – magnesy.

Moment magnetyczny atomu Moment pędu elektronu w atomie wodoru I Natężenie prądu Okres obiegu elektronu po orbicie kołowej

Moment pędu ma przeciwny znak do momentu magnetycznego moment magnetyczny elektronu jest proporcjonalny do jego momentu pędu. Zgodnie z teorią Bohra moment pędu jest skwantowany: Moment magnetyczny elektronu

Wielkość momentu magnetycznego elektronu na 1 orbicie nosi nazwę magnetonu Bohra.

Paramagnetyzm Atomy niektórych substancji posiadają moment magnetyczny rzędu magnetonu Bohra. Po umieszczeniu takiej substancji w zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji B0 na każdy moment magnetyczny będzie działał moment siły orientując je zgodnie z kierunkiem pola. Wtedy pole wewnętrzne B’ pochodzące od mikropętli będzie sumować się z polem zewnętrznym, dając pole wypadkowe Takie substancje nazywamy paramagnetykami. wektor namagnesowania

Wektor namagnesowania = moment magnetyczny przypadający na jednostkę objętości materiału (analog wektora polaryzacji). Względna przenikalność magnetyczna liczba mówiąca ile razy pole magnetyczne wewnątrz próbki jest większe od pola magnetycznego próżni. Wielkość jest podatnością magnetyczną.

Dla paramagnetyków Wektor namagnesowania Proces ustawiania momentów magnetycznych jest zakłócany przez ruchy cieplne. Temperaturowa zależność wektora namagnesowania Prawo Curie (Piotra) C – stała Curie, zależna od rodzaju materiału.

Diamagnetyzm W nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego wypadkowy moment magnetyczny = 0. Zewnętrzne pole magnetyczne wpływa na ruch elektronów w atomach, wywołując powstanie dodatkowych pętli z prądem. Generowane pole przez pętle jest zawsze skierowane przeciwnie do zewnętrznego pola – tak zachowują się diamagnetyki. Podatność magnetyczna diamagnetyków Próbka diamagnetyczna jest wypychana przez niejednorodne pole magnetyczne

paramagnetyk diamagnetyk

Materiał Podatność magnetyczna przy t = 20C Paramagnetyki Uran Platyna Aluminium Sód Tlen (gaz) Diamagnetyki Bizmut Rtęć Srebro Węgiel (diament) Ołów Chlorek sodu Miedź 40·10-5 26·10-5 2.2·10-5 0.72·10-5 0.19·10-5 -16.6·10-5 -2.9·10-5 -2.6·10-5 -2.1·10-5 -1.8·10-5 -1.4·10-5 -1.0·10-5

                                                                                                                                                                       Ferromagnetyzm Ściany domenowe

W strukturze ferromagnetyków można wyróżnić mikrokopowe obszary – domeny magnetyczne, w których atomowe momenty magnetyczne ustawione są zgodnie. W niezorientowanej próbce domeny są zorientowane chaotycznie względem siebie, w obecności pola magnetycznego dążą do równoległego ustawienia względem pola – domeny ustawione zgodnie z zewnętrznym polem rosną kosztem pozostałych. Całkowity moment magnetyczny pojedynczej domeny jest tysiące razy większy od magnetonu Bohra, porządkujące działanie pola zewnętrznego jest większe niż w przypadku paramagnetyków. Względna przenikalność magnetyczna ferromagnetyków osiąga wartości rzędu 103 – 105. Ferromagnetyki – żelazo, kobalt, nikiel, wiele stopów.

Każda próbka ferromagnetyka podgrzana powyżej pewnej temperatury krytycznej – temperatury Curie – staje się paramagnetykiem. Zanika oddziaływanie prowadzące do powstawania domen magnetycznych. Dla żelaza TC = 1043 K.

Krzywa namagnesowania ferromagnetyka pętla histerezy magnetyzm resztkowy Proces magnesowania i rozmagnesowywania próbki – cykliczne przeorientowywanie jej momentów – związany jest ze stratami energii dostarczanej przez zewnętrzne pole. Rośnie temperatura materiału.

Straty energii są tym większe im szersza jest pętla histerezy.

Zastosowanie ferromagnetyków Rdzenie transformatorów, elektromagnesów, silników, generatorów i innych urządzeń gdzie występują prądy zmienne – jak najwęższa pętla histerezy – tzw. miękkie żelazo. Magnesy trwałe – jak najszersza pętla histerezy, a więc jak największy magnetyzm resztkowy – stal, stop aluminium, niklu i kobaltu (Alnico). Magnetyzm resztkowy jest rzędu 1 T. Warstwy czynne dysków komputerowych, taśm magnetycznych – materiały o pośredniej szerokości – łatwe przemagnesowywanie nie wymagające stosowania silnych pól przy zapisie i kasowaniu informacji.