Lekce I / 02 - Magnetismus

Cíl lekce:

Žáci se dozvědí, co je to magnetismus, jak funguje a jak vzniká magnetické pole. Naučí se určovat severní a jižní pól Země pomocí jednoduchého kompasu. Zjistí, co znamená, že je něco zmagnetizované natrvalo a jak se dá takové zmagnetizování opět odstranit.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to magnetismus?
Jak magnetismus funguje?
Je severní magnetický pól a severní pól totéž?
Jak můžete dokázat existenci magnetického pole?
Kde člověk magnetismu využívá?

Magnetismus

Magnetismus je fyzikální jev projevující se primárně silovým působením na pohybující se nositele elektrického náboje (nabité částice). Důsledkem tohoto působení jsou např. silové působení na (i nenabitá) tělesa (nejsilnější u feromagnetických látek) či změny elektrických, optických a dalších materiálových a termodynamických charakteristik látek vystavených magnetickému působení. Magnetismus je vytvářen pohybem elektrického náboje nebo změnou elektrického pole v čase. Elektromagnetismus, tedy sloučení magnetismu a elektrické síly, je jednou ze čtyř základních interakcí.

Magnetovec

Prvním známým magnetem byl magnetovec, který byl objeven starověkými Řeky a Číňany. Tento zřídka se vyskytující minerál se svými udivujícími schopnostmi přitahovat některé kovy zpočátku sloužil jen k zábavě a až mnohem později se lidé naučili používat magnetovec a uměle zmagnetované kousky železa jako kompas sloužící k určování směru.

Magnetovec
Obrázek Magnetite Lodestone od Ryan Somma (Uploaded by Pieter Kuiper) [CC-BY-SA-2.0], via Wikimedia Commons

Magnet

agnet je objekt, který v prostoru ve svém okolí vytváří magnetické pole. Může mít formu permanentního magnetu nebo elektromagnetu. Permanentní magnety nepotřebují k vytváření magnetického pole vnější vlivy. Vyskytují se přirozeně v některých kamenech, ale dají se také vyrobit. Elektromagnety potřebují k vytvoření magnetického pole elektrický proud - když se zvětší proud, zvětší se i magnetické pole. Magnety jsou přitahovány nebo odpuzovány jinými materiály. Materiál, který je silně přitahován k magnetu, má vysokou permeabilitu (propustnost). Železo a ocel jsou dva příklady materiálů s velmi vysokou permeabilitou a jsou velmi silně přitahovány magnety. Voda má tak nízkou permeabilitu, že je magnetickým polem lehce odpuzována. U všeho se dá změřit permeabilita: u lidí, plynů a také u vakua ve vesmíru.

Všechny magnety mají alespoň dva póly: čili mají nejméně jeden severní a jeden jižní pól. Póly nejsou párem věcí na nebo uvnitř magnetu. Jedná se pouze o pojem sloužící k popisu magnetů. Na konci plánu lekce je obrázek magnetu, póly na něm vypadají jako dvě specifické oblasti, protože největší povrchová intenzita pole se objevuje na pólech magnetu, ale neznamená to, že se jedná o specifické oblasti.

K pochopení pólů si lze představit řadu lidí, kteří se všichni dívají stejným směrem a stojí v jedné rovině. I když můžeme vymezit oblast, kde se nachází všechna čela a kde všechny týly, neexistuje jediný bod, ve kterém by se všechny nacházely. Každý jediný člověk má na jedné straně čelo a na druhé týl. Když se řada rozdělí na půl, každá polovina bude stále mít čelo a týl. Dokonce, i když řadu rozdělíme na jednotlivé osoby, každá z nich bude mít své čelo a týl. Takto se dá postupovat do nekonečna.

Stejné je to s magnety. Na magnetu není místo, kde by se nacházely všechny jižní či severní póly. Když se magnet rozdělí na dva, tak oba dva budou mít severní i jižní pól. Tyto dva menší magnety se dají dále rozdělit a každý díl bude mít zase oba póly. Ve většině případů se stane, že když budeme materiál rozdělovat na stále menší a menší části, časem se dostaneme do bodu, kdy už budou jednotlivé částečky natolik malé, že si nedokáží udržet magnetické pole. Přesto se ale nestanou oddělenými póly, jen ztratí schopnost udržet si magnetické pole. Některé materiály ale můžeme rozdělit až na molekulární úroveň a stále si zachovají pole s jižním a severním pólem. Existují teorie o samostatných jižních a severních pólech - magnetických monopólech, ale takový monopól ještě nebyl nikde nalezen.

Magnet a magnetická síla

Magnet je těleso schopné přitahovat k sobě železné předměty magnetickou silou. Látek, ze kterých by dal vyrobit magnet není mnoho – běžně dostupné magnety jsou vyrobeny ze speciálních slitin železa, niklu a oxidů železa metodou nazývanou prášková metalurgie. Každý magnet má dva póly – severní (N) a jižní (S).

Dva magnety na sebe mohou vzájemně působit magnetickou silou, která může být jednak přitažlivá, ale také odpudivá, což záleží na vzájemné poloze magnetů. Magnety přiblížené souhlasnými póly (N-N, S-S) se odpuzují, zatímco magnety přiblížené nesouhlasnými póly (N-S) se přitahují.

Magnetická síla
Obrázek Feeling magnetic repulsion od Pieter Kuiper (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Druhy magnetů

Podle časového hlediska dělíme magnety na permanentní (trvalé) a dočasné. Příkladem dočasného magnetu může být například železný předmět vložený do magnetického pole nebo elektromagnet (tj. v podstatě cívka s jádrem, kterou prochází elektrický proud a tak kolem ní vzniká magnetické pole; po vypnutí elektrického proudu magnetické pole zaniká).

Využití magnetů
Obrázky Kaseta magnetofonowa ubt od Tomasz Sieniczki [CC BY 2.5, GDFL nebo CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons;
headphones-auricle-transducer-375342 od stux [Public domain], via Pixabay ;
Credit cards od Lotus Head from Johannesburg, Gauteng, South Africa (sxc.hu) [GFDL, CC-BY-SA-3.0 nebo CC-BY-SA-2.5-2.0-1.0], via Wikimedia Commons

Využití magnetů

Dnes se magnety a magnetické materiály vyskytují všude kolem nás. Můžeme je nalézt například ve videorekordérech, audiokazetách, kreditních kartách, sluchátkách nebo i v tiskařské barvě papírových bankovek. Moderní elektronický průmysl v současné době (včetně oblastí hudby a informatiky) by nebyl bez magnetických materiálů možný.

Magnetické pole

Magnetické pole je prostor kolem magnetu, kde působí magnetická síla. Magnetická síla totiž působí i na dálku na tělesa, která se nemusí vzájemně dotýkat (dva magnety, magnet a železný předmět).
Tvar magnetického pole je možné znázornit pomocí siločar, což jsou myšlené čáry, které směřují vždy od severního pólu k jižnímu a naznačují směr uspořádání magnetek, které by se dostaly do tohoto magnetického pole. Prakticky lze siločáry zviditelnit pomocí železných pilin. Všechny železné předměty v magnetickém poli Země jsou trvale zmagnetovány.

Magnetické pole
Obrázek Magnet0873 od Newton Henry Black [Public domain], via Wikimedia Commons

Princip působení magnetické síly

Pokud se dostane do magnetického pole železný předmět, stává se dočasným magnetem, v němž se indukuje severní a jižní pól s orientací dle siločar. Tomuto jevu se říká zmagnetování železného předmětu, který je následně přitahován magnetem.

Země jako magnet

Země je obrovský magnet, kde všechny železné předměty nacházející se v magnetickém poli Země jsou trvale zmagnetovány. Severní magnetický pól Země se nachází v blízkosti jižního zeměpisného pólu a jižní magnetický pól se nachází v blízkosti severního magnetického pólu. Původ zemského magnetismu je v žhavém jádru Země obsahujícím slitiny železa a niklu, ale mechanismus vzniku není stále příliš jasný.

Země jako magnet
Obrázek Earth´s magnetic field do Zappys Technology Solutions [CC BY 2.0],via Flickr

Kompas a buzola

Magnetického pole Země je využíváno k orientaci v terénu, kde k tomuto účelu slouží přístroje na bázi magnetické střelky – kompas a buzola.
Jednoduchý kompas uměli vyrobit už ve staré Číně, kdy jehlu se zmagnetovaným hrotem zabodli do kousku korku, který položili na hladinu vody v misce. Zmagnetovaná jehla se pak otáčela vždy severojižním směrem na základě pravidla, že nesouhlasné póly magnetů (v tomto případě Země a jehla) se vždy přitahují.

Kompas
Obrázek Plastic-compass od Evan-Amos (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons

Určení severního pólu a zemského magnetického pole

Standardní pojmenování pólů magnetu je důležité. Už v historii termíny severní a jižní ukazovaly na uvědomění si vztahu mezi magnety a magnetickým polem Země. Volně podepřený magnet se časem vždy natočí od severu k jihu, protože je přitahován k severnímu a jižnímu zemskému magnetickému pólu. Konec magnetu, který zjevně směřuje spíše k severnímu zemskému geografickému pólu, se označuje jako jižní pól magnetu, část směřující k jihu zase jako severní pól magnetu.

Současný geografický severní pól je vlastně magnetickým jihem. Situace je komplikovaná, protože zmagnetizované horniny na oceánském dně ukazují, že magnetické pole Země se v minulosti již mnohokrát otočilo, takže toto pojmenování pólů bude v budoucnu zase obráceně. Navíc zemské magnetické póly nejen že přesně neodpovídají geografickým pólům o celé stupně, ale dokonce mohou být i na rovníku nebo jich Země může mít i více než jen dva, tak, jak se mění momentální stav zemského jádra. Aby se těmto problémům mezi geografickými a magnetickými póly předešlo, u magnetů se často používá označení pozitivní a negativní pól: pozitivní je ten, který se otáčí k současnému severnějšímu magnetickému pólu.

Naštěstí použitím pravidla pravé ruky pro magnetismus a elektromagnety lze orientaci magnetického pole magnetu určit i bez znalosti zemského geomagnetického pole.

Obvyklé použití magnetů a elektromagnetů

Magnetická záznamová média: Obvyklé VHS kazety obsahují kotouč s magnetickým páskem. Informace, která přináší zvuk a obraz, je zakódována v magnetické vrstvě pásku. Obvyklé audio kazety také používají magnetický pásek. Podobně je tomu u počítačů, diskety a harddisky zaznamenávají data na tenkou magnetickou vrstvu.

Kreditní a magnetické karty: Mají na jedné straně magnetický pásek. Ten obsahuje nutné informace pro spojení s bankou nebo různé formy klíčů.

Televize a počítačové monitory: Velká většina televizorů a monitorů se spoléhá na elektromagnet, který vytváří obraz pomocí katodové trubice. Plazmové obrazovky a LCD panely používají zcela jinou technologii.

Reprobedny a mikrofony: Reprobedny se spoléhají na kombinaci permanentního magnetu a elektromagnetu. Reproduktor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii (signál) na mechanickou energii (zvuk). Elektromagnet přenáší signál, který vytváří proměnlivé magnetické pole, a to přitahuje nebo odpuzuje pole vytvořené permanentním magnetem. Toto přitahování a odpuzování pohybuje s membránou, která vytváří zvuk. Ne všechny reprobedny používají tuto technologii, ale většina ano. Standardní mikrofony jsou založené na stejném principu, ale obráceně. Mikrofon má kužel nebo membránu připojenou na smyčku drátu. Smyčka spočívá uvnitř speciálně vytvarovaného magnetu. Když zvuk zavibruje membránou, tak smyčka zavibruje stejně. Tím, jak se smyčka pohybuje v magnetickém poli, vytváří napětí (Lenzův zákon). Toto napětí v drátu je nyní elektrickým signálem, který představuje původní zvuk.

Elektromotory a generátory: Některé elektrické motory (podobně jako reprobedny) se spoléhají na elektromagnet a permanentní magnet a na stejném principu mění elektrickou energii v mechanickou. Generátor funguje obráceně – mění mechanickou energii v elektrickou.

Transformátory: Transformátory jsou zařízení, která přenášejí elektrickou energii mezi dvěma cívkami, které jsou elektricky odizolované, ale propojené magneticky.

Magnetizování materiálů

Feromagneticky tvrdé materiály se dají trvale zmagnetovat následujícími způsoby:

Vložením předmětu do magnetického pole si daná věc udrží některé magnetické vlastnosti i po vyjmutí z magnetického pole. Ukázalo se, že vibrace tento efekt zvyšuje. Železné materiály spojené se zemským magnetickým polem a vystavené vibracím (jako například rám nákladního vozu) získávají značné množství zbytkového magnetismu.
Vložením předmětu do solenoidu, kterým prochází stejnosměrný proud.
Hlazením - přejíždíme magnetem po nějaké věci opakovaně z jednoho konce na druhý stále
ve stejném směru.
Vložením ocelové tyče do magnetického pole, jejím ohřátím na vysokou teplotu a nakonec, když chladne, bušením do tyče kladivem. Je také možno položit magnet v severo-jižním směru do zemského magnetického pole. V tomto případě nebude magnet příliš silný, ale efekt bude stálý.

Odmagnetování

Permanentní magnety se dají odmagnetizovat následujícími způsoby:

Ohřátím magnetu nad Curieho teplotu, což zničí uspořádání domén v magnetu.
Křesáním jednoho magnetu o druhý v náhodných směrech se tyto odmagnetují.
Bitím kladivem nebo pěchování zničí uspořádání domén v magnetu.
Vložením magnetu do solenoidu s buzením střídavým proudem.

Při pokusech o vyrušení magnetického pole elektromagnetu nepomůže ani přerušení proudu přesně při jeho průchodu nulou. V jádru může zůstat slabé magnetické pole v důsledku hystereze, a to i přesto, že jde o jádro z magneticky měkkého materiálu (např. z měkkého železa).

Magnet je materiál, který přitahuje konkrétní kovy. Neviditelná síla přitažlivosti se nazývá magnetismus. Tato síla dokáže věci přitahovat k magnetu, nebo od magnetu odpuzovat.

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: