Warto przeczytać

Pole magnetyczne w przyrodzie

Najważniejsze: jesteśmy cały czas „zanurzeni” w polu magnetycznymPole magnetycznepolu magnetycznym Ziemi. My, ludzie, nie mamy receptorów tego pola, nie odczuwamy go, w odróżnieniu od niektórych ptaków, ryb, owadów. Wykorzystują one ziemskie pole magnetyczne do orientacji przestrzennej. Za to my potrafiliśmy zbudować sobie mały przyrząd – kompas, który pozwala zorientować się w kierunkach geograficznych, bowiem igiełka magnetyczna kompasu ustawia się wzdłuż linii polaLinie pola magnetycznegolinii pola i pokazuje północ (dokładnie: biegun południowy magnetyczny, który znajduje się blisko bieguna geograficznego).

Ziemskie pole magnetyczne chroni Ziemię przed wpływem promieniowania kosmicznego (głównie strumienia wysokoenergetycznych elektronów i protonów). Stanowi pewnego rodzaju pułapkę na te cząstki, które „uwięzione” zostają w tak zwanych pasach Van Allena. Więcej można o tym przeczytać w materiale „Jaką rolę pełni pole magnetyczne Ziemi?”.

REC3FHFprYB1y

Rys. 1. Na rysunku zaprezentowano schematycznie pasy Van Allena. W środkowej części rysunku widoczna jest niebieska kula symbolizująca Ziemię. Na powierzchnię kuli naniesiono siatkę w postaci białych linii, symbolizującą południki oraz równoleżniki. Przez kulę przechodzą dwie proste narysowane czarnymi ciągłymi liniami. Jedna z nich jest pionowa i stanowi oś obrotu Ziemi. Druga jest odchylona o kilkanaście stopni w prawo. Linia ta stanowi oś magnetyczną Ziemi. Wokół Ziemi, po prawej i lewej stronie widoczne są po dwa łuki, ułożone symetrycznie względem osi magnetycznej. Symbolizują one pasy Van Allena. Jeden z łuków jest mniejszy, czerwony i widoczny jest jako wewnętrzny. Symbolizuje on pas wewnętrzny. Drugi z łuków jest większy i szary. Większy łuk symbolizuje pas zewnętrzny. Od dolnej części prawego i zewnętrznego pasa wychodzi czarna strzałka skierowana w lewo i nieco w górę, która wskazuje na prawą i dolną część Ziemi. Pod strzałką widoczny jest podpis: Anomalia południowoatlantycka i w nawiasie dwieście kilometrów od powierzchni Ziemi.

Z ruchem wysokoenergetycznych cząstek w polu magnetycznym Ziemi związane jest, widoczne zwłaszcza podczas dużej aktywności Słońca, piękne zjawisko – zorza polarna.

Dla porządku, należy także wspomnieć o naturalnych substancjach ferromagnetycznych (magnesach). Są to występujące w skorupie ziemskiej minerały – magnetyty, hematyty.

Pole magnetyczne w fizyce i medycynie

Pola magnetycznego używa się w fizyce do badania cząstek elementarnych. Po pierwsze – w akceleratorach (potężnych przyspieszaczach cząstek, zobacz Rys. 2.) pole magnetyczne stosowane jest w celu zawrócenia cząstek tak, aby możliwe było wielokrotne ich przejście przez przyspieszające pole elektryczne. Po drugie – w detektorach cząstek, w celu ich identyfikacji: pole magnetyczne zakrzywia tor cząstki i dzięki temu można wyznaczyć stosunek ładunku do masy cząstki – q/m (zobacz Rys. 2.).

RTYO7oijDs061

Rys. 2. Na zdjęciu widoczny jest tunel akceleratora o nazwie pisanej wielkimi literami LHC, w którym montowane są nadprzewodzące magnesy. Na zdjęciu widoczny jest długi tunel o szarych ścianach. Wzdłuż ścian tunelu biegną układy srebrzysto‑szarych rur. Wewnątrz tunelu widoczna jest niewielka, pomarańczowa lokomotywa, ciągnąca za sobą platformy. Na platformach widoczne są elementy montowane w tunelu. Na pierwszej platformie, za lokomotywą, widoczny jest długi na kilka metrów, czarny i cylindryczny element. Prawdopodobnie jest to jeden z elektromagnesów.

R1DRj6poVRzbq

Rys. 3. Ilustracja przedstawia obraz z symulacji zderzenia rozpędzonych w akceleratorze, o nazwie pisanej wielkimi literami LHC, protonów. Tło ilustracji jest czarne. Z lewego i górnego rogu ilustracji oraz z prawego i dolnego rogu biegną ku środkowi dwie czerwone strzałki. Symbolizują one tor rozpędzonych protonów, pomiędzy którymi dojdzie do zderzenia. Strzałki nie dochodzą do środka rysunku. Ich przedłużenia widoczne są w postaci cienkiej, żółtej i przerywanej linii. Czerwone strzałki leżą prawie idealnie na jednej linii prostej. Na środku ilustracji widoczne jest miejsce zderzenia pomiędzy rozpędzonymi protonami. Z punktu zderzenia rozchodzą się w wszystkich kierunkach żółte linie przybierające postać mniej lub bardziej zakrzywionych łuków. Żółte linie symbolizują tory cząstek powstałych w trakcie zderzenia. Po prawej i lewej stronie od miejsca zderzenia widoczne są również bardziej prostokątne kształty symbolizujące dalszy ruch cząsteczek wytworzonych podczas zderzenia. Kształty te również rozchodzą się promieniście. Bliżej miejsca zderzenia mają one kolor pomarańczowy i zmieniają go wraz z  oddalaniem się od punktu kolizji protonów. Początkowo zmieniają kolor na czerwony, a bliżej krawędzi ilustracji na niebieski.

Spektroskop masowy to urządzenie, za pomocą którego zbadano skład izotopowy pierwiastków, a także zmierzono masę jądra atomowego. Jego znaczenie jest jednak obecnie wyłącznie historyczne. Więcej na temat zastosowań tego urządzenia  przeczytasz w materiałach: „Jak działa i do czego służy spektrometr masowy?” oraz „Wyznaczamy masę cząstki w spektrometrze masowym”.

Należy wspomnieć też o definicji ampera, która obecnie ma już znaczenie tylko historyczne. Obowiązywała ona do 19 maja 2019 roku i wykorzystywała fakt oddziaływania dwóch równoległych przewodników z prądem. Przytoczymy ją, za internetową Encyklopedią PWN:

amper, A - jednostka prądu (natężenia prądu) elektr., podstawowa w układzie SI; jest to prąd elektr. nie zmieniający się, który płynąc w 2 równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2 · 10Indeks górny -7^-7 N na każdy metr długości; definicja ta, przyjęta w 1948 r. przez IX Generalną Konferencję Miar, w Polsce obowiązywała od 1953 r.

Współczesna definicja amperaAmperampera opiera się o wartość ładunku elementarnego.

W diagnostyce medycznej pole magnetyczne wykorzystujemy w badaniu metodą Magnetycznego Rezonansu Jądrowego (zwaną także NMR, od anielskiego określenia nuclear magnetic resonance). Jest to całkowicie bezinwazyjne badanie obrazowe wnętrza ciała. Wynalazek jest tak doniosły, że twórcy tej metody w 2003 roku zostali uhonorowani nagrodą Nobla.

R1oGtIh9jP2j8

Rys. 4. Na zdjęciu zaprezentowano gabinet lekarski, w którym ustawiono aparat diagnostyczny o nazwie pisanej wielkimi literami NMR. W gabinecie o białych ścianach, na środku pomieszczenia, widoczna jest platforma przypominająca jednoosobowe białe łóżko, na którym umieszczany jest pacjent. Za górną częścią platformy, na której układany jest pacjent widoczne jest pionowo ustawione, białe urządzenie w kształcie pierścienia o przekroju okrągłym. Wewnątrz urządzenia znajduje się nadprzewodzący elektromagnes wytwarzający pole magnetyczne o wartości indukcji do trzech tesli. Podczas badania pacjent wsuwany jest do centralnego otworu w urządzeniu. Na podstawie zmian pola magnetycznego po wsunięciu pacjenta, tworzony jest obraz wykorzystywany w diagnostyce.

Pole magnetyczne w technice

Elektromagnes (zwojnica) – „sztuczny” magnes, który ma większe zastosowanie niż magnes stały, głównie z dwóch powodów:

• wytwarza silniejsze pole magnetyczne, bo możemy zastosować w nim rdzeń ferromagnetyczny, który tysiące razy wzmacnia pole magnetyczne wytworzone przez prąd płynący w zwojnicy;

• można nim łatwo sterować – zwiększać albo zmniejszać wartość indukcji magnetycznej, bo jest ona wprost proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w uzwojeniu.

Ferromagnetyki – materiały magnetyczne, powszechnie stosowane do zapisu i odczytu danych (na kartach bankomatowych, identyfikacyjnych, dyskach komputerowych itp.).

Silnik elektryczny – urządzenie wszechobecne w urządzeniach domowych i nie tylko w tych (odkurzacz, pralka, zmywarka, wentylator, kosiarka elektryczna itp.). Zapoznaj się także z materiałem „Jak działa silnik elektryczny?”;

Magnetoelektryczne mierniki natężenia prądu, wykorzystujące obrót ramki (uzwojenia) w polu magnetycznym (zobacz Rys. 5. i 6.).

RQT9eG4B68flF

Rys. 5. Ilustracja podzielona jest na dwie części, prawą oraz lewa. Lewa część przedstawia zdjęcie analogowego amperomierza. Amperomierz, widoczny w postaci prostopadłościennego, czarnego urządzenia leży na białej powierzchni. Większą część podstawy amperomierz, która jest widoczna dla użytkownika stanowi białe pole. Na białym polu widoczna jest skala w postaci czarnych odcinków tworzących wygięty w górę łuk. Na skali zaznaczono wartości od zera do czterystu, co sto w jednostce głównej i co dwadzieścia w jednostkach pomocniczych. W dolnej części białego pola znajduje się czarna i cienka wskazówka, która podczas pomiaru wskazuje na skali uzyskany wynik. Prawa strona ilustracji przedstawia zdjęcie magnetoelektrycznego ustroju pomiarowego stanowiącego część amperomierza. Urządzenie widoczne jest w postaci metalowego pierścienia, do którego dolnej części przymocowana jest czarna wskazówka. Wskazówka zamontowana jest w cylindrycznym uchwycie, który umożliwia jej ruch w płaszczyźnie pierścienia.

RiwuZv2d8W6GD

Rys. 6. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano zasadę działania amperomierza magnetoelektrycznego. W centralnej części ilustracji widoczne są po prawej i lewej stornie dwa szare elementy w postaci pionowych prostokątów pomiędzy którymi znajduje się szczelina. W wewnętrznych częściach tych elementów, od środka szczeliny widoczne są półokrągłe wcięcia. Lewy element podpisano jako biegun magnetyczny wielka litera N a prawy, jako biegun wielka litera S. We wnęce pomiędzy biegunami magnetycznymi znajduje się tarcza, narysowana w postaci koła o szarym wypełnieniu. Do centralnej części koła przymocowana jest szara wskazówka skierowana w górę, której końcówka wskazuje na skalę u góry ilustracji. Skala narysowana jest w postaci kształtu, przypominającego wygięty w górę łuk, na którym pionowymi, czarnymi odcinkami zaznaczono hipotetyczne jednostki. Na tarczę widoczna pomiędzy biegunami magnetycznymi nawinięto czerwone przewody doprowadzające prąd, który poddany zostanie pomiarowi. Wokół miejsca zamocowania wskazówki widoczna jest zielona spirala, której jeden koniec wyprowadzony został ku dolnej części ilustracji. Zielona spirala symbolizuje sprężynę napinającą wskazówkę.

Po odkryciu głębokiego związku elektryczności z magnetyzmem – zjawiska indukcji elektromagnetycznejIndukcja elektromagnetycznaindukcji elektromagnetycznej (M. Faraday) – okazało się, że można wytwarzać prąd i przesyłać go na duże odległości.

Pole elektromagnetyczne w technice

• Prądnica, generator

• Transformator wraz z licznymi zastosowaniami

• Induktor, cewka wysokonapięciowa (na przykład do wytwarzania iskry w samochodzie w celu zapłonu paliwa)

• Kuchenka indukcyjna (wykorzystująca prądy wirowe)

• Odczyt z kart magnetycznych

Kiedy już wyjaśniło się, za sprawą J. Maxwella, czym jest fala elektromagnetycznaFala elektromagnetycznafala elektromagnetyczna i jak ją można wytwarzać i odbierać, powstały następujące wynalazki:

• Radiofonia

• Telewizja

• Telefonia komórkowa

• Kuchenka mikrofalowa

• Światłowód (ze swoimi niesamowitymi zastosowaniami w telekomunikacji i medycynie)

• Radar

Z pewnością nie jest to pełna lista, ale wydaje się, że i tak robi ogromne wrażenie.

Słowniczek