14-2 Prúd a magnetizmus

14-1 Magnety a magnetické pole; 14-2 Prúd a magnetizmus; 14-3 Sila pôsobiaca na pohybujúci sa náboj; 14-4 Magnetický tok; 14-5 Cievky a elektromagnety ; 14-6 Elektrický prúd v magnetickom poli ; 14-7 Galvanometer, voltmeter, ampérmeter ; 14-8 Pôsobenie medzi prúdmi ; 14-9 Indukovanie elektrického prúdu ; 14-10 Premenlivý magnetický tok ; 14-11 Transformátory a striedavý prúd;

Úlohy

14-1 Magnety a magnetické pole

14-2 Prúd a magnetizmus

Objav galvanických článkov a batérií, ktoré dodávajú stály elektrický prúd, umožnil skúmať vzájomné pôsobenie elektrického prúdu a magnetizmu. (Medzi statickým elektrickým nábojom a magnetom sa nezistilo žiadne vzájomné pôsobenie). Základné zákony vzťahujúce sa na tieto vzájomné pôsobenia boli všetky objavené v 19-om storočí. V roku 1820 si dánsky fyzik H.C. Oersted (1777-1851) všimol, že prúd tečúci v nejakom vodiči otáča strelku kompasu. Strelka sa pritom ustáli v smere, ktorý je kolmý k rovine určenej vodičom a bodom, kde kompas je. (Pozri obrázok 14.4.) Inými slovami, magnetické siločiary vykresľujú okolo vodiča sústredné kružnice, a rovina určená kružnicami je kolmá na vodič. Tento Oerstedov poznatok francúzski fyzici J.B. Biot (1774-1862) a Félix Savart (1791-1841) vyjadrili aj kvantitatívne: intenzita magnetického poľa $H$ vytvoreného prúdom $I$ tečúcim vodičom je priamo úmerná tomuto prúdu a je nepriamo úmerná vzdialenosti meranej od vodiča.

Obr. 14.3:Dva magnetické tyče približne rovnako a približne opačne orientované. Výsledné magnetické pole znázorňujú železné piliny.

Ak to vyjadríme základnými jednotkami sústavy SI (uvádzame v zátvorke), je magnetické pole okolo veľmi dlhého vodiča (pozri obrázok 14.5a)

$H (ampér/meter) = \frac{I (ampér)}{2 πr (meter)} .$

Ako vidieť, jednotku intenzity magnetického poľa meriame v jednotkách ampér/meter.

magnetická strelky a elektrický prúd — Obr. 14.4:Orientácia magnetickej strelky v blízkosti elektrického prúdu. Smer severného magnetického pólu magnetickej strelky môžeme určiť pomocou nasledujúceho jednoduchého pravidla: chyťme vodič do pravej ruky tak, aby náš palec ukazoval v smere elektrického prúdu (dohodnutý smer toku kladných nábojov). Náš ukazovák potom ukazuje v smere severného pólu strelky kompasu, teda aj v smere magnetického poľa vytvoreného elektrickým prúdom.

Obr. 14.5: Magnetické polia budené elektrickými prúdmi.

Jednoduchý obvod v tvare kružnice s polomerom $r$ vytvára v strede magnetické pole s intenzitou

$H (ampér/meter) = \frac{I (ampér)}{2 r (meter)} .$

Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že magnetické pole obklopujúce magnet, a magnetické pole vytvárané elektrickým prúdom tečúcom vo vodiči sú dve naprosto odlišné veci. Je zrejmé, že v magnete netečie prúd: nie je pripojený ku galvanickému článku ani k inému zdroju. Ak ho necháme na polici aj desaťročia, jeho magnetické pole sa nezmení.

Onedlho po Oerstedovom objave v roku 1820, André Ampère tvrdil, že navzdor zdaniu, príčinou magnetického poľa je v oboch prípadoch to isté. Podľa neho v každom jednom atóme krúžia drobunké elektrické náboje, tj. v každom atóme je drobná prúdová slučka, uzavretý obvod s elektrickým prúdom. Ten vytvára magnetické pole atómu. Ak je to pravda, tyč magnetu sa dá predstaviť, ako súhrn zoradených atomárnych elektromagnetov. Ampèrova myšlienka bola geniálna – musíme si uvedomiť, že v tú dobu (tesne po roku 1820) sa nevedelo nič o atómovej štruktúre látok, ani o štruktúre atómov. Ako dnes už vieme, jeho myšlienka bola v zásade správna. Je tu ale rozdiel. Magnetizmus magnetickej tyče pochádza z rotácie elektrónov okolo vlastnej osi, tj. z ich spinu a nie z ich obiehania okolo jadra. To je ale len detail a o nič nezmenšuje význam základnej myšlienky Ampèra.

Nakoľko na rotujúce elektróny atómu môžeme nazerať ako na miniatúrne kruhové elektrické obvody, ľahko si dokážeme predstaviť atóm ako malý magnet. Obzvlášť to platí pre také atómy, ako železo, v ktorom väčšina elektrónov rotuje v jednom smere.

14-3 Sila pôsobiaca na pohybujúci sa náboj