Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax
Fizyka dla szkół wyższych. Tom 2

11.1 Odkrywanie magnetyzmu

Fizyka dla szkół wyższych. Tom 211.1 Odkrywanie magnetyzmu

Menu
Spis treści
  1. Przedmowa
  2. Termodynamika
    1. 1 Temperatura i ciepło
      1. Wstęp
      2. 1.1 Temperatura i równowaga termiczna
      3. 1.2 Termometry i skale temperatur
      4. 1.3 Rozszerzalność cieplna
      5. 1.4 Przekazywanie ciepła, ciepło właściwe i kalorymetria
      6. 1.5 Przemiany fazowe
      7. 1.6 Mechanizmy przekazywania ciepła
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    2. 2 Kinetyczna teoria gazów
      1. Wstęp
      2. 2.1 Model cząsteczkowy gazu doskonałego
      3. 2.2 Ciśnienie, temperatura i średnia prędkość kwadratowa cząsteczek
      4. 2.3 Ciepło właściwe i zasada ekwipartycji energii
      5. 2.4 Rozkład prędkości cząsteczek gazu doskonałego
      6. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    3. 3 Pierwsza zasada termodynamiki
      1. Wstęp
      2. 3.1 Układy termodynamiczne
      3. 3.2 Praca, ciepło i energia wewnętrzna
      4. 3.3 Pierwsza zasada termodynamiki
      5. 3.4 Procesy termodynamiczne
      6. 3.5 Pojemność cieplna gazu doskonałego
      7. 3.6 Proces adiabatyczny gazu doskonałego
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 4 Druga zasada termodynamiki
      1. Wstęp
      2. 4.1 Procesy odwracalne i nieodwracalne
      3. 4.2 Silniki cieplne
      4. 4.3 Chłodziarki i pompy ciepła
      5. 4.4 Sformułowania drugiej zasady termodynamiki
      6. 4.5 Cykl Carnota
      7. 4.6 Entropia
      8. 4.7 Entropia w skali mikroskopowej
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  3. Elektryczność i magnetyzm
    1. 5 Ładunki i pola elektryczne
      1. Wstęp
      2. 5.1 Ładunek elektryczny
      3. 5.2 Przewodniki, izolatory i elektryzowanie przez indukcję
      4. 5.3 Prawo Coulomba
      5. 5.4 Pole elektryczne
      6. 5.5 Wyznaczanie natężenia pola elektrycznego rozkładu ładunków
      7. 5.6 Linie pola elektrycznego
      8. 5.7 Dipole elektryczne
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    2. 6 Prawo Gaussa
      1. Wstęp
      2. 6.1 Strumień pola elektrycznego
      3. 6.2 Wyjaśnienie prawa Gaussa
      4. 6.3 Stosowanie prawa Gaussa
      5. 6.4 Przewodniki w stanie równowagi elektrostatycznej
      6. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    3. 7 Potencjał elektryczny
      1. Wstęp
      2. 7.1 Elektryczna energia potencjalna
      3. 7.2 Potencjał elektryczny i różnica potencjałów
      4. 7.3 Obliczanie potencjału elektrycznego
      5. 7.4 Obliczanie natężenia na podstawie potencjału
      6. 7.5 Powierzchnie ekwipotencjalne i przewodniki
      7. 7.6 Zastosowanie elektrostatyki
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 8 Pojemność elektryczna
      1. Wstęp
      2. 8.1 Kondensatory i pojemność elektryczna
      3. 8.2 Łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów
      4. 8.3 Energia zgromadzona w kondensatorze
      5. 8.4 Kondensator z dielektrykiem
      6. 8.5 Mikroskopowy model dielektryka
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    5. 9 Prąd i rezystancja
      1. Wstęp
      2. 9.1 Prąd elektryczny
      3. 9.2 Model przewodnictwa w metalach
      4. 9.3 Rezystywność i rezystancja
      5. 9.4 Prawo Ohma
      6. 9.5 Energia i moc elektryczna
      7. 9.6 Nadprzewodniki
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    6. 10 Obwody prądu stałego
      1. Wstęp
      2. 10.1 Siła elektromotoryczna
      3. 10.2 Oporniki połączone szeregowo i równolegle
      4. 10.3 Prawa Kirchhoffa
      5. 10.4 Elektryczne przyrządy pomiarowe
      6. 10.5 Obwody RC
      7. 10.6 Instalacja elektryczna w domu i bezpieczeństwo elektryczne
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    7. 11 Siła i pole magnetyczne
      1. Wstęp
      2. 11.1 Odkrywanie magnetyzmu
      3. 11.2 Pola magnetyczne i ich linie
      4. 11.3 Ruch cząstki naładowanej w polu magnetycznym
      5. 11.4 Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem
      6. 11.5 Wypadkowa sił i moment sił działających na pętlę z prądem
      7. 11.6 Efekt Halla
      8. 11.7 Zastosowania sił i pól magnetycznych
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    8. 12 Źródła pola magnetycznego
      1. Wstęp
      2. 12.1 Prawo Biota-Savarta
      3. 12.2 Pole magnetyczne cienkiego, prostoliniowego przewodu z prądem
      4. 12.3 Oddziaływanie magnetyczne dwóch równoległych przewodów z prądem
      5. 12.4 Pole magnetyczne pętli z prądem
      6. 12.5 Prawo Ampère’a
      7. 12.6 Solenoidy i toroidy
      8. 12.7 Magnetyzm materii
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    9. 13 Indukcja elektromagnetyczna
      1. Wstęp
      2. 13.1 Prawo Faradaya
      3. 13.2 Reguła Lenza
      4. 13.3 Siła elektromotoryczna wywołana ruchem
      5. 13.4 Indukowane pola elektryczne
      6. 13.5 Prądy wirowe
      7. 13.6 Generatory elektryczne i siła przeciwelektromotoryczna
      8. 13.7 Zastosowania indukcji elektromagnetycznej
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    10. 14 Indukcyjność
      1. Wstęp
      2. 14.1 Indukcyjność wzajemna
      3. 14.2 Samoindukcja i cewki indukcyjne
      4. 14.3 Energia magazynowana w polu magnetycznym
      5. 14.4 Obwody RL
      6. 14.5 Oscylacje obwodów LC
      7. 14.6 Obwody RLC
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    11. 15 Obwody prądu zmiennego
      1. Wstęp
      2. 15.1 Źródła prądu zmiennego
      3. 15.2 Proste obwody prądu zmiennego
      4. 15.3 Obwody szeregowe RLC prądu zmiennego
      5. 15.4 Moc w obwodzie prądu zmiennego
      6. 15.5 Rezonans w obwodzie prądu zmiennego
      7. 15.6 Transformatory
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    12. 16 Fale elektromagnetyczne
      1. Wstęp
      2. 16.1 Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne
      3. 16.2 Płaskie fale elektromagnetyczne
      4. 16.3 Energia niesiona przez fale elektromagnetyczne
      5. 16.4 Pęd i ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego
      6. 16.5 Widmo promieniowania elektromagnetycznego
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  4. A Jednostki
  5. B Przeliczanie jednostek
  6. C Najważniejsze stałe fizyczne
  7. D Dane astronomiczne
  8. E Wzory matematyczne
  9. F Układ okresowy pierwiastków
  10. G Alfabet grecki
  11. Rozwiązania zadań
    1. Rozdział 1
    2. Rozdział 2
    3. Rozdział 3
    4. Rozdział 4
    5. Rozdział 5
    6. Rozdział 6
    7. Rozdział 7
    8. Rozdział 8
    9. Rozdział 9
    10. Rozdział 10
    11. Rozdział 11
    12. Rozdział 12
    13. Rozdział 13
    14. Rozdział 14
    15. Rozdział 15
    16. Rozdział 16
  12. Skorowidz nazwisk
  13. Skorowidz rzeczowy
  14. Skorowidz terminów obcojęzycznych

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • wyjaśniać przyciąganie się i odpychanie się magnesów;
  • opisywać historyczne i współczesne zastosowania magnetyzmu.

Magnetyzm, choć znany był od czasów antycznej Grecji, zawsze pozostawał nieco tajemniczy. Ludzkość poznawała właściwości magnetyczne stopniowo, przez wiele setek lat, zanim kilku fizyków XIX wieku połączyło magnetyzm z elektrycznością. W tym rozdziale opiszemy efekt ich prac, którym jest odkrycie podstawowych praw rządzących zjawiskami magnetyzmu.

Krótka historia magnetyzmu

Magnetyki powszechnie stosowane są w przedmiotach codziennego użytku, takich jak zabawki, wieszaki, windy, dzwonki do drzwi czy komputery. Badania nad magnetykami pokazują, że wszystkie posiadają dwa rodzaje biegunów, jeden nazywany północnym (N) i drugi nazywany południowym (S). Jednoimienne bieguny magnetyczne odpychają się wzajemnie, a różnoimienne przyciągają (np. jeden typu N, a drugi typu S), natomiast oba typy przyciągają nienamagnesowane kawałki żelaza. Wspomnijmy, że nie można wyizolować pojedynczych biegunów magnetycznych. Każdy wycinek magnetyka, obojętnie jak mały, jeżeli posiada biegun północny, musi także posiadać południowy.

Materiały pomocnicze

Odwiedź stronę z interaktywną prezentacją magnetycznych biegunów: południowego i północnego.

Przykładem magnesu jest igła kompasu (ang. compass needle). To cienka płytka magnetyka zamocowana pośrodku w taki sposób, że może swobodnie obracać się w płaszczyźnie poziomej. Ziemia sama działa jak wielki magnes i powoduje ustawienie się bieguna południowego igły w stronę geograficznego bieguna północnego (Ilustracja 11.2). Biegun północny kompasu jest przyciągany w kierunku ziemskiego geograficznego bieguna północnego, ponieważ pole magnetyczne wytwarzane w pobliżu geograficznego bieguna północnego jest faktycznie zwrócone na południe. Niejasność wynika z faktu, że nazwa geograficzna „biegun północny” weszła do użycia (niewłaściwie) na określenie bieguna magnetycznego, który znajduje się w pobliżu bieguna północnego. Zatem nazwa „północny biegun magnetyczny” (ang. north magnetic pole) jest faktycznie błędna i powinna brzmieć południowy biegun magnetyczny (ang. south magnetic pole). (Odnotujmy, że orientacja ziemskiego pola magnetycznego nie jest permanentna, ale zmienia się, „odwraca się”, w długich przedziałach czasowych. W końcu magnetyczny biegun północny Ziemi znajdzie się w pobliżu jej geograficznego bieguna południowego.)

Ilustracja ziemskiego pola magnetycznego. Oś magnetyczna jest odchylona nieco od osi rotacji. Biegun modelowego magnesu w pobliżu geograficznego bieguna północnego jest biegunem południowym (S), ale ulokowanie osi magnetycznej na powierzchni północnej w pobliżu geograficznego bieguna jest nazywane Magnetycznym Biegunem Północnym.  Linie pola tworzą pętlę, która wychodzi z bieguna północnego magnesu (blisko ziemskiego geograficznego bieguna południowego) i wchodzą w południowy kraniec magnesu (blisko ziemskiego geograficznego bieguna północnego). Kompasy umieszczone w polu układają się wzdłuż linii pola i wskazują północ. 
Ilustracja 11.2 Biegun północny igły kompasu ustawia się w kierunku południowego bieguna magnetycznego, co pokazuje obecną orientację pola magnetycznego wnętrza Ziemi. Ustawia się także w kierunku ziemskiego geograficznego bieguna północnego, ponieważ znajduje się on w pobliżu magnetycznego bieguna południowego.

W 1819 r. duński fizyk Hans Oersted (1777–1851) podczas wykładu przeprowadzał prezentację dla studentów i zauważył, że igła kompasu poruszała się, ilekroć prąd płynął w znajdującym się niedaleko kompasu przewodniku. Dalsze badania tego zjawiska upewniły Oersteda, że prąd elektryczny może w jakiś sposób wywoływać siłę magnetyczną. Ogłosił to odkrycie w 1820 roku na spotkaniu Francuskiej Akademii Nauk.

Wkrótce po tym wydarzeniu badania Oersteda zostały powtórzone i rozwinięte przez innych naukowców. Wśród mających największy wkład w poznanie natury magnetyzmu byli Jean-Baptiste Biot (1774–1862) oraz Félix Savart (1791–1841), którzy badali siły wywierane na magnetyki przez prąd elektryczny, André Marie Ampère (1775–1836), który studiował wzajemne oddziaływanie przewodników, przez które przepływa prąd elektryczny, François Arago (1786–1853), który zauważył, że żelazo można namagnesować za pomocą prądu, oraz Humphry Davy (1778–1829), który odkrył, że magnes działa siłą na przewodnik z prądem. 10 lat po odkryciu Oersteda Michael Faraday (1791–1867) zaobserwował, że względny ruch magnesu i metalowego drutu indukuje prąd w tym przewodniku. Ta obserwacja pokazała nie tylko, że prąd powoduje efekty magnetyczne, ale także, że magnes może wytwarzać prąd elektryczny. Zobaczymy dalej, że nazwiska Biot, Savart, Ampère oraz Faraday łączą się z fundamentalnymi właściwościami elektromagnetyzmu.

Potwierdzenia z różnorodnych eksperymentów doprowadziły Ampère’a do stwierdzenia, że prąd elektryczny jest źródłem wszystkich zjawisk magnetycznych. Żeby wyjaśnić zjawisko trwałego namagnesowania zasugerował, że materia zawiera mikroskopijne pętle prądu, które ustawiają się w określony sposób, gdy materiał zostaje namagnesowany. Dzisiaj wiemy, że trwałe namagnesowanie jest faktycznie wytwarzane przez ustawienie obracających się elektronów (spinów elektronów), co jest sytuacją podobną do zaproponowanej przez Ampère’a. Ten model trwałych magnesów Ampère rozwijał niemal cały wiek przed tym, zanim zrozumiano atomową naturę materii (w pełni kwantowo-mechaniczne podejście do magnetycznych momentów spinowych przedstawimy w rozdziałach Mechanika kwantowa oraz Struktura atomowa).

Współczesne zastosowania magnetyzmu

Obecnie magnetyzm odgrywa ważną rolę w naszym życiu. Jego zrozumienie przez fizyków umożliwiło rozwój technologii, które wpływają zarówno na jednostki, jak i na społeczeństwa. Elektroniczny tablet w twojej torebce lub plecaku nie mógłby powstać bez zastosowania magnetyzmu i elektryczności w małej skali (Ilustracja 11.3). Odkryto, że niewielkie zmiany pola magnetycznego w cienkiej warstwie żelaza lub chromu powodują znacznie silniejsze zmiany w oporze elektrycznym, co nazywamy gigantycznym magnetooporem (ang. giant magnetoresistance). Informacja może być zapisywana magnetycznie w oparciu o zwrot wektora namagnesowania warstwy żelaza. Za odkrycie gigantycznego magnetooporu i jego zastosowania do zapisu cyfrowego w 2007 roku Nagrodą Nobla z fizyki uhonorowano Alberta Ferta (ur. 1938) z Francji i Petera Grünberga (ur. 1939) z Niemiec.

Zdjęcie mechanizmu odczytywania dysku twardego. 
Ilustracja 11.3 Rozwój technologii, takiej jak zapis komputerowy, nie byłby możliwy bez głębokiego zrozumienia magnetyzmu. Źródło: Klaus Eifert

Wszystkie silniki elektryczne – do tak różnorodnych zastosowań jak chłodziarki, rozruszniki samochodowe, windy – zawierają magnetyki. Generatory mocy, czy to hydroelektryczne, czy to dynama do lampek rowerowych, wykorzystują magnesy. W urządzeniach do utylizacji odpadów wykorzystuje się magnesy do oddzielania żelaza od pozostałych odpadów. Od kilku lat trwają badania nad zastosowaniem elementów magnetycznych w przyszłościowym źródle energii, jakim jest fuzja jądrowa. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (ang. magnetic resonance imaging, MRI) stało się ważnym narzędziem diagnostycznym w medycynie, a zastosowanie magnetyzmu do określania aktywności mózgu jest przedmiotem współczesnych prac badawczych. Lista zastosowań zawiera także: komputerowe twarde dyski, taśmy zapisujące, detektory wdychanego azbestu oraz lewitujące pociągi wysokich prędkości. Magnetyzm jest obecny w strukturze atomowych poziomów energetycznych, a także w ruchu promieni kosmicznych oraz pułapkowaniu cząstek naładowanych w pasach Van Allena otaczających Ziemię. Po raz kolejny widzimy, jak różnorakie zjawiska są ze sobą połączone za pomocą niewielkiej liczby leżących u ich podstaw zasad fizycznych.

Cytowanie i udostępnianie

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Creative Commons Attribution License , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
Cytowanie

© 2 mar 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Creative Commons Attribution License . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.