Magnetizam

UVOD

Pretpostavlja se da su magnetske pojave prvi puta primijećene još 800 godina prije Krista u Kini i Europi. Prva osoba koja je primijetila magnetske pojave vjerojatno je bila dijete koje je podiglo magnet i nastavilo igru s njime. Postoje zapisi grčkog povjesničara Plinija o tome da se čuvar stada po imenu Magnus jednom prilikom nagnuo kao da će pasti zbog toga jer su mu glave željeznih čavala u cipelama bile privučene za magnetizirano kamenje. Kao i većina mitova i ova priča ima elemenata pretjerivanja, no legenda je brzo prihvaćena. Egipćani su magnetizirane stijene zvali kosti Hareoeri (Hareoeri je otac božice zemlje). U centralnoj Americi i Maje su imale svoje legende o magnetima koje datiraju još prije Kolumbovoga otkrića Amerike. Kinezi su prvi praktično upotrebljavali magnetske materijale za navigaciju oko 100 god. Nove ere. Danas se pouzdano zna se da je prvi prirodni magnet zapravo pronađen kao mineralni depozit u stijenama, te nazvan magnetit. Magnetizirane stijene bogate su rudom magnetit koja je po kemijskom sastavu željezni oksid (Fe3O4). U prirodi prvi je magnet nastao udarom munje (električni izboj) direktno u ili u neposrednu blizinu stijene bogate magnetitom, koja zbog svoje visoke struje, reda veličine 1.000.000 ampera, proizvede snažno magnetsko polje koje ju namagnetizira.
Otkriveno je da mali štapići načinjeni od ovog materijala, ako im se dozvoli da se slobodno njišu, uvijek pokazuju sjever. Pronađeni su i tekstovi u kojima se spominje 'pokazivač sjevera', a ovo je otkriće bilo posebno značajno u najranijim sustavima za navigaciju brodova.
DEFINICIJA

Kada se govori o permanentnim magnetima, magnetizam je pojava koju primjećujemo kao odbojnu ili privlačnu silu između magneta i sličnih feromagnetskih materijala. Djelovanje magnetizma je puno raširenije od klasičnih primjera s permanentnim magnetima, njegova primjena je u brojnim dnevnim aktivnostima ljudi: u transportu, zdravstvu, komunikaciji, zabavi itd. Znanstveno tumačenje je da je magnetizam sila međudjelovanja između električki nabijenih čestica u gibanju; brzine gibanja čestica su bliske brzini svjetlosti (c=299,792,458km/sec). Na atomskom nivou dakle radi se o relativnom gibanju elektrona - negativno nabijanih subatomskih čestica. Kao i planete u sunčevom sustavu, elektroni se gibaju i oko svoje osi i oko jezgre atoma. Oba vrsta gibanja proizvode magnetsko polje između elektrona, a elektroni poprimaju svojstva mikroskopskih štapićastih magneta sa sjevernim i južnim polom. Oko ovako 'beskonačno' malog magneta nalaze se magnetske silnice, koje 'izviru' iz sjevernog pola, te zakrivljuju u obliku elipse da bi završile u južnom polu. Magnetizam je jedna od četiri osnovne sile u prirodi (elektromagnetska, gravitacijska, slaba nuklearna i jaka nuklearna sila). Nekad se mislilo da su ove pojave neovisne jedna o drugoj no kroz povijest znanstvenici su došli do zaključaka da su te sile međusobno povezane. Tako je 1819. godine Hans Christian Oersted otkrio vezu između električne i magnetske sile u eksperimentu s vodičem kroz koji teče struja i magnetskom iglom kompasa. Dokazao je da se magnetsko polje oko vodiča stvara dok kroz njega teče struja pokazavši kako je polje svojim utjecajem zakrenulo magnetsku iglu kompasa tako da ona zatvara pravi kut u odnosu na os vodiča.
PRAVILO DESNE RUKE

Ono govori da se oko vodiča kroz koji teče struja u smjeru palca, stvaraju silnice čiji smjer polja je u smjeru pokazivanja ostalih prstiju. Od tada znamo da je magnetsko polje u stvari produkt koji nastaje gibanjem izvora električnog polja (naboja) uslijed relativističke pojave (brzina gibanja bliska brzini svijetlosti-kontrakcija duljine za promatrača koji stoji u odnosu na objekt). Izvor električnog polja točkastog naboja u mirovanju ima sferičan oblik. Ako taj naboj ubrzamo brzinom bliskoj svjetlosti, uslijed kontrakcije duljine u smjeru gibanja, za promatrača će taj sferični oblik poprimiti oblik 'palačinke' tj. sfera će se 'spljoštiti'. Upravo tako izgleda magnetsko polje oko vodiča dok kroz njega teče električna struja. S obzirom na to da se svijet kakvog poznajemo sastoji od tvari koje su sastavljene od nabijenih čestica (protoni i elektroni) magnetsko polje utječe na sve tvari oko nas. Međutim, kod nekih tvari je taj utjecaj minoran pa ga primijetiti možemo tek uz pomoć vrlo sofisticirane mjerne opreme, dok je kod drugih vrlo izražen.
VRSTE MAGNETIZMA

Postoji pet različitih vrsta magnetizma: dijamagnetiazm, paramagnetizam, feromagnetizam, ferimagnetizam i antiferomagnetizam. Točnije, svih pet termina odnose se na pet različitih načina na koje materijali 'odgovaraju' na proces magnetizacije – tj. izlaganje materijala magnetskom polju. Tvari koje po svojoj prirodni nisu magneti, u prisustvu magnetskog polja ponašati će se ili kao dijamagneti – utjecati će na smanjenje prisutnog magnetskog polja, ili kao paramagneti – utjecati će na neznatno povećanje prisutnog magnetskog polja (samo one tvari koje imaju neparni broj elektrona po atomu). Za razliku od dijamagnetizma i paramagnetizma, fero-, feri- i antiferimagnetizam opisuju ponašanje 'prirodnih magneta' u prisustvu magnetskog polja.
FEROMAGNETIZAM

Feromagnetizam je svojstvo materijala, poput željeza (ferro), da 'zapamti' učinak magnetskog polja kojem je bio izložen. Feromagneti se sastoje od mnoštva mikroskopskih domena (područja) – skupine atoma promjera cca. 5x10-5 m. U pojedinim domenama magnetski momenti mogu biti sinkronizirani ali smjerovi magnetskih sila različitih domena ostaju nasumično raspoređeni (slika lijevo gore). Domene se sinkroniziraju pod utjecajem vanjskog magnetskog polja (slika lijevo dolje). Ako maknemo prineseni magnet, domene će se obično ponovno vratiti u prvobitne položaje a svojstva magneta će nestati. Ukoliko feromagnet stavimo u izuzetno jako magnetsko polje kroz određeno vrijeme, domene će ostat trajno sinkronizirane čime dobivamo permanentni magnet. Ovaj efekt je još poznat pod nazivom histereza.
Feromagneti imaju visoku relativnu magnetsku permeabilnost. Magnetska permeabilnost (µ) je konstanta proporcionalnosti između magnetske indukcije i intenziteta magnetskog polja i za vakuum iznosi µo = 1.257×10-6 H/m. Magnetska permeabilnost se obično izražava kao relativna vrijednost. Ako µ predstavlja magnetsku permeabilnost tražene tvari, relativna magnetska permeabilnost je dana izrazom µr = µ / µo, reda veličine 500-1000000, znači da je utjecaj magnetskog polja na takve materijale jako velik (reda veličine 10000x veći nego na zrak/vakuum). Najpoznatiji materijali s izraženim feromagnetskim svojstvima su željezo, kobalt i nikal.
MATERIJAL
μ/(H m-1)
μr
PRIMJENA
Ferit U 60 1.00E-05 8 UHF jezgre
Ferit M33 9.42E-04 750 Jezgre među-frekvencijskih transformatora u radio prijemnicima
Nikal (čistoća 99%) 7.54E-04 600 -
Ferit N41 3.77E-03 3000 Sklopovi mrežnog napajanja
Željezo (čistoća 99.8%) 6.28E-03 5000 -
Ferit T38 1.26E-02 10000 Širokopojasni transformatori
Silikatno GO Željezo 5.03E-02 40000 Dinama, mrežni transformatori
Supermalloy 1.26 1000000 Glave za snimanje
Na subatomskom nivou magnetsko polje izaziva gibanje elektrona, rotacija elektrona oko svoje osi je glavni izvor magnetskog polja, a orbitalno gibanje koje je u stvari mnogo kaotičnije i teško se može nazvati orbitalnim, se uglavnom poništava (elektronski parovi). Iako je atomski magnetni moment prisutan kod paramagneta i feromagneta, magnetske sile su daleko jače kod feromagneta. Razlog tome nije razlika u atomskom magnetskom momentu već u kristalnoj strukturi feromagneta kod kojeg međusobne veze uzrokuju sinkronizaciju magnetskih momenata susjednih atoma čime je omogućeno jako privlačenje feromagneta magnetima. Ovo je potpuna suprotnost paramagnetima kod kojih su magnetski momenti slučajno orijentirani i tako se međusobno poništavaju (osim kada se nalaze u polju jakog magneta).
DIJAMAGNETIZAM

Dijamagnetizam je jako slab oblik magnetizma koji se može registrirati samo uz prisustvo vanjskog magnetskog polja. Nastaje promjenom orbitalnog kretanja elektrona uslijed prinesenog magnetskog polja. Ovako nastali magnetski moment je jako mali i smjerom suprotan od prinesenog polja:
Kada se smjesti između dva pola jakog magneta, dijamagnetni materijal se postavlja u područje gdje je polje najslabije. Dijamagnetizam postoji kod svih materijala ali zbog male sile može se promatrati samo kod materijala koji nemaju ostala magnetska svojstva. Iznimka za "slabu" prirodu dijamagneta uočena je kod velikog broja materijala koji mogu postati supervodiči, obično na vrlo niskim temperaturama. Supervodiči su skoro savršeni dijamagnetici i njihov električki otpor je nula. Poznato je da se struktura supervodiča raspada s nevjerojatnom silom u nastojanju da izađe iz prinesenog magnetskog polja. Supervodiče možemo nazvati i magnetskim ogledalom, zbog činjenice da oni proizvode polje istog intenziteta prinesenom ali suprotnog pola. Tajna ovog svojstva leži u elektromagnetskoj indukciji. Ako vodiču koji ima otpor nula prinesemo izvor magnetskog polja, u tom će se vodiču inducirati vrtložna električna struja (Lorentzova sila koja djeluje na slobodne elektrone u supervodiču koji se počinju kružno gibati zbog promjene magnetskog polja) koja će proizvesti polje identičnog intenziteta prinesenom ali suprotnog polariteta. Ova pojava 'istiskivanja magnetskih silnica' poznatija je pod nazivom Meissnerov efekt. Supervodiči su vjerojatno jedina važna primjena dijamagnetizma. Tanki komadić pirolitičkog grafita ili bizmuta, koji je neobično jak dijamagnetički materijal, može stabilno lebdjeti iznad jakog magnetskog polja (neodimijskih magneta). Pokus se može napraviti na sobnoj temperaturi i njime vizualno demonstrirati dijamagnetizam.
PERMANENTNI MAGNETI

Permanentni magneti spadaju u skupinu feromagneta koji imaju izraženo široku krivulju histereze tako da je permanentni magnetizam izražen. Upravo to svojstvo im omogućuje da postanu permanentni magneti nakon izlaganja snažnom magnetskom polju kroz vrijeme koje je potrebno za postizanje trajnog magnetizma. Permanentni magneti su sposobni dalje privremeno magnetizirati druge feromagnetične tvari, kao npr. kada se kontaktom između permanentnog magneta i spajalice za papir postigne magnetičnost spajalice, čime ona postaje sposobna dodirom podignuti i druge nemagnetizirane spajalice. Ako se komad željeza prinese permanentnom magnetu, domene unutar željeza će se orijentirati u istom smjeru i željezo postaje magnetizirano. Magnetizirati će se na način da produžuje magnetske silnice koje će ga privući prema magnetu, bez obzira koji pol magneta je okrenut prema željezu.

Primjer kako se željezo može magnetizirati:
Na sljedećem crtežu vidimo kako željezo postaje magnet pod utjecajem permanentnog magneta:
Permanentne magnete moguće je demagnetizirati na nekoliko načina. Jedan je da se magnetski materijal izloži snažnom magnetskom polju ali suprotonog smjera, drugi je zagrijavanjem na visoku temperaturu koja se zove Curieva temperatura (po francuskom fizičaru Pierre Curie-u koji je otkrio taj fenomen) i treći je mehaničkim stresom na magnetski materijal...

Svaki magnet ima dva pola: Sjever i Jug. Nemoguće je izolirati jedan pol, trganjem magneta na dva dijela ponovo svaki od njih ima dva pola.
Kod svake vrste polja (električno, magnetsko, gravitacijsko ), jačinu polja određuje tok. Mjerenje magnetskog toka se često opisuje brojem silnica toka iako nije dokazano da takve silnice kao individualne linije stvarno postoje, one su zamišljene crte koje spajaju Sjeverni i Južni pol magneta.
MJERNE JEDINICE U MAGNETIZMU

1T = 10.000 Gausa
NEODIMIJSKI MAGNETI

Neodimijski magneti su najjači permanentni magneti. Napravljeni su od elemenata Neodimija, Željeza i Bor-a ( Nd2Fe14B ). Daleko su jači od dobro poznatih feritnih magneta. Mogu držati 1300 puta veću masu od vlastite. Proizvode se u više jačina koje se označavaju brojem nakon slova N, od N24 do N55. Proizvode se za radne temperature od 80°C do 200°C. Površinske zaštite mogu biti Cink, Nikal, Bakar, PVC... Neodimijski magneti su svojom prihvatljivom cijenom i izuzetno dobrim svojstvima brzo postali nezamjenjivi u el. motorima, zvučnicima, mikrofonima, računalima... Osim u industriji često se koriste u školstvu, istraživanjima i raznim hobijima. Odlični su za demonstraciju levitacije i vrtložnih struja, toliko su jaki da se na glatkoj površini ili obješeni o konac odmah postavljaju u smjeru sjever-jug kao igla kompasa. Za usporedbu, jakost magnetskog polja zemlje na njezinoj površini je reda veličine 1 Gauss-a, dok je jakost magnetskog polja neodimijskog magneta reda veličine 104 Gauss-a što znači da neodimijski magnet proizvodi polje deset tisuća puta jače od zemljinog. Takve magnete držite dalje od djece jer uslijed nestručnog rukovanja može doći do ozljeda. Pri baratanju takvim magnetima budite oprezni i rabite zaštitna sredstva kao zaštitne naočale, rukavice i slično.
FEMM EDITOR V4.0.1

Femm Editor je odličan, jednostavan i besplatan program za simulaciju magnetskog polja. Dolazi sa primjerima i odličnim uputama za rad.

Download 1.4MB
MAGNETSKO POLJE OKO VODIČA

Cirkularno magnetsko polje koje se stvara oko vodiča kada njim protječe struja je posljedica kretanja nabijenih čestica (elektrona) kroz vodič i (relativističke) pojave opisane u podnaslovu - pravilo desne ruke. Polje je cirkularno i njegov intenzitet je proporcionalan jakosti struje koja protječe kroz vodič te obrnuto proporcionalan udaljenosti od vodiča.
PRAVILO LIJEVE RUKE

Ako kroz vodič koji se nalazi u magnetskom polju pustimo struju, on će proizvesti silu koja će ga pomicati pod pravim kutem u odnosu na smjer polja u kojem se nalazi i smjer protoka električne struje. Ova pojava naziva se i 'Pravilo lijeve ruke' a vizualno se prikazuje kao na slici gore. Ono je posljedica interakcije silnica homogenog magnetskog polja, u kojem se nalazi vodič kroz koji protječe struja, i polja vodiča koje nastaje uslijed protoka struje (cirkularno polje) na način da se silnice s prednje strane vodiča razrjeđuju a sa zadnje strane zgušnjavaju i time pokušavaju istisnuti vodič (u smjeru palca).
ELEKTROMAGNET

Elektromagnet je izolirana žica namotana u zavojnicu, najčešće na jezgri nekog feromagnetičnog materijala u svrhu postizanja jačeg magnetskog polja upravljanog strujom. Veliki intenzitet magnetskog polja koji nastaje u sredini zavojnice je posljedica cirkularnog magnetskog polja koje nastaje oko vodiča kada kroz njega protječe struja. Nastalo magnetsko polje je proporcionalno jakosti struje koja protječe kroz zavojnicu i duljini žice koja je namotana u istu. Ako je jezgra od feromagnetičnog materijala onda će intenzitet magnetskog polja biti veći za iznos relativnog permeabiliteta materijala korištenog za jezgru.
ELEKTROMAGNETSKA INDUKCIJA

Elektromagnetska indukcija je pojava kod koje svaka promjena magnetskog polja u kojem se nalazi vodič uzrokuje tok naboja kroz vodič. Stoga je najčešći način proizvodnje električne energije upravo iskorištavanjem ove pojave; kada iz zavojnice u kojoj imamo magnet izvadimo magnet na njenim krajevima javit će se razlika potencijala, a ako je na tu zavojnicu priključen teret kroz nju će poteći struja. Ova pojava je usko povezana s pravilom lijeve ruke. Ako magnet izvadimo dok je teret spojen na zavojnicu, protok struje kroz zavojnicu (posljedica vađenja magneta) proizvesti će magnetsko polje koje će također svojim djelovanjem generirati silu (iz pravila lijeve ruke) koja će se opirati vađenju magneta iz zavojnice (lenzovo pravilo i drugi zakon termodinamike). Najveći broj električnih strojeva koristi se ovom pojavom u proizvodnji električne energije. Na slici gore vidimo shemu generatora izmjenične struje: zavojnica u polju permanentnog magneta rotira se i u njoj se konstantno mijenja smjer i intenzitet polja što na krajevima zavojnice izaziva pojavu izmjenične struje koju prenosimo preko kliznih prstenova i četkica na trošila.
GENERATOR ISTOSMJERNE STRUJE

Generator istosmjerne struje je sprava slična gore opisanom generatoru izmjenične struje, samo što se koristi komutator umjesto kliznih prstenova kako bi se na stezaljkama stroja dobila istosmjerna struja. Komutator se sastoji od lamela koje vrtnjom izmjenjuju kontakt s četkicom. On je mehanički povezan s osovinom i služi za prespajanje zavojnica. Lamele komutatora izmjenjuju se tako da se na jednoj četkici tj. stezaljki uvijek održava isti polaritet čime se sprečava promjena smjera struje za razliku od izmjeničnog generatora.
ISTOSMJERNI MOTOR

Istosmjerni motor je vrlo sličan istosmjernom generatoru uz inverzno ponašanje; on proizvodi mehaničku energiju rotacije kada na njega priključimo izvor istosmjerne struje. Interakcija je sljedeća: kada zavojnicu u polju permanentnog magneta namagnetiziramo tako da joj je magnetsko polje suprotnog smjera od polja permanentnog magneta, zbog odbojne sile on će se htjeti postaviti u smjer privlačne sile (zarotirati se), kada se krene rotirati komutator mijenja smjer struje kroz zavojnicu, a to ima za posljedicu okretanje smjera magnetskog polja i na kraju ponovo rotacije rotora koji se ponovo postavlja u smjer privlačenja. Laički gledano to je kao igra mačke koja lovi svoj rep ali ga nikad ne ulovi jer je rep pričvršćen na nju kao i što je komutator pričvršćen na zavojnicu. Osim opisanog i veoma rijetko upotrebljavanog motora sa samo jednom zavojnicom, najčešće su u upotrebi motori sa više zavojnica (polova) i kompleksniji komutatori sa više lamela, koristi se privlačna sila i manji kut faznog pomaka (komutator elektromagnet) koji ovisi o broju polova i još nekim pojedinostima motora.
GENERATOR IZMJENIČNE STRUJE

Opisan u 'Elektromagnetska indukcija'
IZMJENIČNI MOTOR

Izmjenični motor je elektromotor s najčešćom upotrebom trenutno u svijetu. Postoje sinkroni i asinkroni elektromotori. Najčešći motor je asinkroni ( indukcioni, kavezni ) elektromotor s kratko-spojenim rotorom ( slika gore ). Asinkroni motor je često korišten, na primjer u kućanskim aparatima, prvenstveno zato što je jeftiniji i što se mnogo lakše pokreće. Njegov princip rada može se pojasniti pomoću pokusa s 'Kolumbovim jajem' u rotacionom magnetskom polju. Jaje od metala postavljeno u rotaciono polje počinje se okretati zbog magnetske indukcije i vrtložnih struja. Kao i Kolumbovo jaje, kavez indukcionog motora se na isti način počinje okretati u smjeru i brzini rotacionog polja (u idealnom slučaju bez mehaničkog opterećenja i trenja). Kavez je konstruiran kako bi se smanjili toplinski gubici zbog indukcije, štetnih vrtložnih struja i drugih razloga, te kako bi maksimum energije bio pretvoren u mehaničku. To je temeljno načelo rada. Ukoliko se na osovinu asinkronog motora priključi opterećenje, tada se pojavljuje klizanje rotora u odnosu na rotaciono magnetsko polje - otud i naziv 'asinkroni'. Frekvencija pobudnog napona i magnetskog polja nije sinkronizirana sa frekvencijom rotacije rotora već postoji određeno zaostajanje-klizanje (slip). Ovo klizanje se povećava s opterećenjem prema momentnoj karakteristici motora do svojevrsne 'točke proklizavanja' gdje snaga indukcije više ne može tjerati mehanički teret.