Magnetické pole
Magnetické pole je fyzikální pole, jehož zdrojem je pohybující se elektrický náboj (tedy elektrický proud). Magnetické pole lze tedy pozorovat kolem elektrických vodičů, kde je zdrojem volný elektrický proud, ale také kolem tzv. permanentních magnetů, kde jsou zdrojem pole vázané elektrické proudy. Magnetické pole může být také vyvoláno změnami elektrického pole.
Magnetické pole je částí elektromagnetického pole. Vztah mezi magnetickým a elektrickým polem popisují Maxwellovy rovnice.
Historie
V přírodě lze nalézt určité látky, mezi kterými působí určité síly, které se označují jako magnetické síly. Tyto síly lze (na mikroskopické úrovni) pozorovat i tehdy, když u nich nelze pozorovat žádný mikroskopický pohyb elektrických nábojů. Takové látky se označují jako magnetické látky. O tělesech, které vykazují magnetické vlastnosti, říkáme, že jsou zmagnetované, popř. je označujeme jako (permanentní) magnety. Tyto látky byly známy už ve starověku a bylo také známo působení (a existence) zemského magnetismu. Mnohé látky se mohou stát magnetickými vložením do magnetického pole – tento proces se označuje jako magnetizace.
Později bylo zjištěno, že podobné síly se objevují také v okolí vodiče, kterým protéká elektrický proud. Především na základě experimentů Ampèrových a Oerstedových pak byl zaveden pojem magnetického pole. Další výzkumy ukázaly úzkou vazbu mezi pohybem elektrického náboje a existencí magnetického pole.
Dalším krokem k pochopení magnetismu byla kompletní teorie elektromagnetického pole, která sjednocuje jevy elektrické a magnetické. Formuloval ji James Clerk Maxwell a je shrnuta v soustavě tzv. Maxwellových rovnic doplněných materiálovými vztahy. Z této teorie pak Albert Einstein vycházel při formulaci speciální teorie relativity. Ta chápe magnetické pole jako projev elektrického pole pohybujících se nabitých částic. S užitím relativistické kvantové teorie lze přibližně v tomto smyslu vysvětlit i pole permanentních magnetů.
Rozdělení
Podle závislosti na čase
Podle závislosti na čase lze magnetické pole (rozumí se zpravidla vektor magnetické indukce) pole rozdělit na
- nestacionární magnetické pole – obecné, časově proměnné magnetické pole
- stacionární magnetické pole – časově neproměnné magnetické pole
- magnetostatické pole – speciální případ stacionárního pole (tedy časově neměnného pole), v němž se nevyskytují volné elektrické proudy (zdrojem jsou zmagnetované látky)
Podle prostorového rozložení
Podle prostorového rozložení magnetické indukce dělíme magnetické pole na homogenní a nehomogenní pole.
- Homogenní (stejnorodé) magnetické pole je v dané oblasti prostoru takové magnetické pole, jehož magnetická indukce je ve všech bodech této oblasti shodná velikostí i směrem. Lze znázornit přímými, rovnoběžnými, stejně od sebe vzdálenými indukčními čarami.
- V oblastech prostoru, kde toto není splněno, označujeme pole jako nehomogenní.
Magnetické indukční čáry
Tvar pole lze popsat magnetickými indukčními čárami. Jsou to uzavřené neprotínající se orientované křivky, jejichž tečna v daném bodě má směr vektoru magnetické indukce a jejichž hustota (počet čar procházejících skrz jednotkový kolmý element plochy) je úměrná velikosti vektoru magnetické indukce. Volně otáčivá úzká magnetka (stejně jako zmagnetovaná podlouhlá železná pilina na obrázku vpravo) či cívka protékaná elektrickým proudem vložená do pole se tedy ustálí tak, že jejich osa bude tečnou k indukčním čárám magnetického pole v tomto bodě (za předpokladu, že jejich velikost není větší než oblast, ve které lze pole považovat za homogenní). Podle zvyklosti, vycházející z obdoby s magnetickým polem Země, se někdy oblast tělesa (magnetu), ze které směřuje vektor magnetické indukce ven z tělesa označuje jako severní pól (a značí anglickým N či méně často českým S) a oblast kde vektor magnetické indukce směřuje dovnitř tělesa jižní pól (a značí anglickým S či méně často českým J). Toto označení je založeno na zastaralé představě o magnetickém poli jako poli magnetických nábojů (monopólů).
Ampérovo pravidlo
V okolí elektrického vodiče lze orientaci indukčních čar určit pomocí Ampérova pravidla pravé ruky pro přímý vodič. Podle tohoto pravidla platí, že pokud palec ukazuje dohodnutý směr proudu ve vodiči, prsty ukazují orientaci magnetických indukčních čar.
Pro cívku lze použít Ampérovo pravidlo pravé ruky pro cívku, které říká, že pokud ohnuté prsty ukazují dohodnutý směr proudu v závitech, pak palec ukazuje severní pól cívky.
Flemingovo pravidlo
Flemingovo pravidlo levé ruky umožňuje určit směr síly, kterou působí vnější magnetické pole na vodič, který se v tomto poli nachází. Toto pravidlo říká, že pokud prsty ukazují směr proudu a indukční čáry vnějšího magnetického pole vstupují do dlaně, pak palec ukazuje směr síly, kterou působí vnější magnetické pole na vodič s proudem.
Magnetické pole z pohledu teorie relativity
Einstein v roce 1905 ukázal, že magnetické pole lze považovat za relativistickou část elektrického pole. Magnetické pole se totiž objevuje jako vedlejší produkt při Lorentzových transformacích souřadnic v přítomnosti elektrického pole. Lorentzovy transformace však nelze aplikovat na elektrické pole, pokud toto pole nepředpokládá existenci magnetického pole a jejich vzájemný vztah vyjádřený Maxwellovými rovnicemi (z tohoto hlediska lze tedy magnetické pole stěží považovat za vedlejší produkt elektrického pole).
Pohybuje-li se elektrický náboj vzhledem k pozorovateli, pak elektrické pole v důsledku kontrakce délek a dilatace času není z hlediska pozorovatele sféricky symetrické. Jednou z částí Lorentzovy transformace je síla, působící pouze na pohybující se náboj. Právě tato část se označuje jako magnetické pole.
Vlastnosti
Makroskopické magnetické pole může existovat ve vakuu i v látce. Magnetické pole působí na vodiče protékané elektrickým proudem, na nabitá tělesa, která se pohybují, ale také na látky, které jsou v klidu.
Magnetické pole se popisuje pomocí magnetické indukce a intenzity magnetického pole.
Z hlediska teorie by zdrojem magnetického pole nemusel být pouze elektrický proud, ale mohl by jím být také tzv. magnetický náboj, který by kolem sebe vytvářel magnetické pole podobným způsobem jako kolem sebe elektrický náboj vytváří elektrické pole. Tyto magnetické náboje (tzv. magnetické monopóly) však nebyly nikdy pozorovány a předpokládá se, že v přírodě neexistují.
Znalost magnetických jevů je hojně využívána v technické praxi.
Magnetické pole úzce souvisí s polem elektrickým. Jejich vzájemný vztah popisují Maxwellovy rovnice.
Na částici, která se nachází v elektrickém i magnetickém poli působí tzv. Lorentzova síla.
Magnetickou sílu působící mezi dvěma rovnoběžnými vodiči určuje Ampérův silový zákon.
Související články
Externí odkazy
Obrázky, zvuky či videa k tématu magnetické pole na Wikimedia Commons
