Μαγνητισμός μαγνητικό πεδίο

Transcript

1 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Μαγνητισμός μαγνητικό πεδίο Ο μαγνητισμός είναι κάτι τελείως διαφορετικό από τον ηλεκτρισμό; Πριν 200 χρόνια ο μαγνητισμός αποτελούσε ένα τελείως ξεχωριστό κεφάλαιο της φυσικής από τον ηλεκτρισμό

2 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Μαγνήτες συναντάμε παντού

3 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Μαγνήτες που δεν φαίνονται είναι παντού Μοτέρ Μεγάφωνα Γεννήτριες Μικρόφωνα Ακουστικά

4 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Φαινόμενο μαγνητισμού γνωστό από την αρχαιότητα Μαγνητίτης Fe 3 O 4 Φαινόμενα μαγνητισμού είχαν παρατηρηθεί 2500 χρόνια πριν στην Μαγνησία της Μικράς Ασίας. Κομμάτια σιδερόπετρας άφθονα στην περιοχή, έλκυαν μικρά κομμάτια σιδήρου.

5 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Πόλοι του μαγνήτη Πόλοι του μαγνήτη Οι πόλοι ενός μαγνήτη είναι οι περιοχές του μαγνήτη (τα άκρα του) όπου οι μαγνητικές δυνάμεις είναι μεγαλύτερες

6 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ απωθούνται απωθούνται έλκονται Υπάρχουν ο βόρειος και ο νότιος πόλος σε μια μαγνητική ράβδο. Οι όμοιοι πόλοι απωθούνται ενώ οι αντίθετοι έλκονται. Σε αντίθεση με τον ηλεκτρισμό όπου μπορώ να έχω μόνο του είτε θετικό είτε αρνητικό φορτίο, στην περίπτωση του μαγνητισμού δεν μπορω να απομονώσω ένα μόνο πόλο. Δεν υπάρχουν μαγνητικά μονόπολα.

7 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Μαγνητική βελόνα H μαγνητική βελόνα είναι μαγνήτης οπότε έλκει άλλα κομμάτια σιδήρου πιο ισχυρά στα άκρα της που τα ονομάζουμε πόλους. Μια μαγνητική βελόνα προσανατολίζεται στην κατεύθυνση βορρά νότου. Το άκρο της που δείχνει το βορρά λέγεται βόρειος πόλος (Ν) ενώ το άλλο νότιος (S). Το 1100μ.χ. οι κινέζοι χρησιμοποίησαν μαγνητικές βελόνες για να φτιάξουν πυξίδες.

8 ΓΡΑΜΜΕΣ TOY ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ Γραμμές μαγνητικού πεδίου ενός μόνιμου ραβδόμορφου μαγνήτη Γραμμές μαγνητικού πεδίου ενός κυλινδρικού πηνίου S N N N Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου μπορούν να απεικονιστούν χρησιμοποιώντας ρινίσματα σιδήρου, τα οποία ευθυγραμμίζονται εφαπτομενικά προς τις γραμμές του πεδίου, σαν μικροσκοπικές βελόνες πυξίδων.

9 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Οι όμοιοι πόλοι απωθούνται ενώ οι αντίθετοι έλκονται. Γιατί ένας κρεμασμένος μαγνήτης ή μια μαγνητική βελόνα προσανατολίζεται έτσι ώστε ο ένας πόλος να δείχνει το βορά και ο άλλος το νότο;

10 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Το 1600 ο William Gilbert μελέτησε τους μαγνήτες και το μαγνητικό πεδίο της Γης. Το μαγνητικό πεδίο της Γης. Μοιάζει με αυτό ενός ραβδόμορφου μαγνήτη. Έχει Νότιο πόλο που βρίσκεται κοντά στο βόρειο γεωγραφικό πόλο της Γης αλλά δεν ταυτίζεται μ αυτόν. Ο βόρειος μαγνητικός πόλος βρίσκεται κοντά στο νότιο γεωγραφικό πόλο της Γης.

11 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Το μαγνητικό πεδίο σχετίζεται άμεσα με κίνηση ηλεκτρικών φορτίων. Ηλεκτρισμός και Μαγνητισμός είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος Ηλεκτρομαγνητισμός

12 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Τόσο η περιφορά ενός ηλεκτρονίου ενός ατόμου γύρω από τον πυρήνα όσο και η περιστροφή γύρω από τον εαυτό του αποτελούν ηλεκτρικά ρεύματα άρα δημιουργούν μαγνητικό πεδίο. Το κάθε ηλεκτρόνιο λοιπόν σε ένα άτομο είναι σαν ένας μικρός μαγνήτης. Ηλεκτρόνια που κινούνται με την ίδια φορά συνεισφέρουν σε ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο ενώ αν κινούνται σε αντίθετη φορά εξουδετερώνει το ένα το μαγνητικό πεδίο του άλλου.

13 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Σε υλικά όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο ή το νικέλιο τα άτομα σε ολόκληρες περιοχές του υλικού ευθυγραμμίζουν τα μαγνητικά τους πεδία..

14 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Με αυτόν το ν τρόπο μπορώ να μαγνητίσω καρφάκια ή συνδετήρες από σίδηρο.

15 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Το μαγνητικό πεδίο σχετίζεται άμεσα με κίνηση ηλεκτρικών φορτίων. Ένα ηλεκτρικό φορτίο όταν κινείται στην περιοχή μαγνητικού πεδίου δέχεται δύναμη Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο δημιουργεί μαγνητικό πεδίο.

16 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

17 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Πολικό σέλας: φορτισμένα σωματίδια που έρχονται από τον ήλιο με τεράστιες ταχύτητες (400km/s) τα οποία οδηγούνται από το μαγνητικό πεδίο της Γης προς τους πόλους. Καθώς κτυπάνε άτομα αζώτου και οξυγόνου που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα της γης μετατρέπουν ένα μέρος της κινητικής τους ενέργειας σε ηλεκτρομαγνητική με τη μορφή φωτός.

18 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ Το μαγνητικό πεδίο σχετίζεται άμεσα με κίνηση ηλεκτρικών φορτίων. Ένα ηλεκτρικό φορτίο όταν κινείται στην περιοχή μαγνητικού πεδίου δέχεται δύναμη Ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο δημιουργεί μαγνητικό πεδίο.

19 ΣΧΕΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ - ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ Hans Christian Oersted (Έρστετ), 1819: Ένα σύρμα που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί απόκλιση της βελόνας μιας πυξίδας

20 ΣΧΕΣΗ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΥ André Marie Ampère Michael Faraday Σχέση του μαγνητισμού με κινούμενα φορτία: Joseph Henry Κίνηση ενός μαγνήτη κοντά σε έναν αγώγιμο βρόχο μπορεί να προκαλέσει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος στον βρόχο Ένα μεταβαλλόμενο ρεύμα σε έναν αγώγιμο βρόχο μπορεί να προκαλέσει ρεύμα σε έναν άλλο βρόχο που βρίσκεται κοντά του.

21 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟ ΠΕΔΙΟ Ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις: Μια κατανομή ακίνητων ηλεκτρικών φορτίων δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο Ε στον χώρο. Το πεδίο αυτό ασκεί δύναμη F=qE πάνω σε κάθε φορτίο q που βρίσκεται μέσα στο πεδίο. Μαγνητικές αλληλεπιδράσεις: Ένα κινούμενο φορτίο ή ένα ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον χώρο (επιπρόσθετα με το ηλεκτρικό του πεδίο). Το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη F πάνω σε κάθε κινούμενο φορτίο ή ηλεκτρικό ρεύμα που βρίσκεται μέσα στο πεδίο.

22 A B Γ F Η μαγνητική δύναμη που ασκείται πάνω σε ένα θετικό φορτίο q που κινείται με ταχύτητα v είναι κάθετη τόσο στο μαγνητικό πεδίο όσο και στην B v B Β. Όταν η v είναι κάθετη στο B, τότε F = qvb. Α. Η μαγνητική δύναμη είναι μηδέν όταν η είναι παράλληλη ή αντιπαράλληλη προς το. Γ. Όταν η γωνία μεταξύ v και B είναι φ, τότε F = qvb sin φ. Καλό θα ήταν αν θα κάνατε σύγκριση: v F=qE Vs F=qvBsinφ

23 Διανυσματικό (ή εξωτερικό) γινόμενο διανυσμάτων C = A B Κατεύθυνση του διανυσματικού γινομένου: κανόνας του δεξιού χεριού C = A B sin φ Το διανυσματικό γινόμενο δεν είναι μεταθετικό! A B =-B A

24 ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ LORENTZ Από τη παραπάνω συζήτηση προκύπτει ότι η δύναμη F που ασκείται πάνω σε φορτίο q που κινείται με ταχύτητα μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο B v δίνεται, τόσο σε μέτρο όσο και σε κατεύθυνση, από τη σχέση: F = q v B Hendrik Antoon Lorentz F =q v B sinφ [I] =1A=1C/sec Δύναμη του Lorentz: F = qe [Β] =1Ν sec/c m [Β] =1Ν/A m = 1 tesla + q v B 1 tesla = 1T=1Ν/A m Nicola Tesla

25 ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ LORENTZ Αρνητικό φορτίο Q τοποθετείται κοντά στον βόρειο πόλο ραβδόμορφου μαγνήτη. Θα ξεκινήσει το φορτίο να κινείται; Εξηγήστε. Δύναμη του Lorentz: F = qe + q v B

26 ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ LORENTZ Ποια διαδρομή θα ακολουθήσει το ηλεκτρόνιο;

27 ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ LORENTZ Τρία σωμάτια μπαίνουν κάθετα σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και ακολουθούν τις τροχιές που φαίνονται στο διπλανό σχήμα. Μπορείτε να πείτε ποιο είναι το φορτίο κάθε σωματιδίου;

28 ΔΥΝΑΜΗ ΤΟΥ LORENTZ Πρωτόνιο κινείται με ταχύτητα 10 5 m/s κατά τη διεύθυνση της διπλανής μαγνητικής βελόνας (προς τη κόκκινη πλευρά). Το μαγνητικό πεδίο της γης είναι 55μΤ. α) ποια δύναμη δέχεται; β) Αν το ίδιο πρωτόνιο κινιόταν προς τα ανατολικά ποια δύναμη θα δέχονταν; α) F = 0 L Γιατί η κάθετη στο μαγνητικό πεδίο συνιστώσα της ταχύτητας είναι μηδέν. β) F L = qvb sin(ϕ ) Αλλά φ=90 ο F L = 1,6 10 F L 19 = 8,8 10 C N 5 m / s T 1