V elektromagnetizme sú zavedené dve magnetické sily - magnetická časť Lorentzovej sily a Ampérova sila.
Lorentzova sila je všeobecná elektromagnetická sila Felmag = QE + Qv × B, ktorou elektromagnetické pole pôsobí na pohybujúci sa náboj Q v elektromagnetickom poli a Ampérova sila dFA = Idl × B, ktorou magnetické pole pôsobí na elementárny úsek prúdovodiča dl, ktorým tečie elektrický prúd I. Hoci tieto sily majú spoločný pôvod, ich účinky sa diametrálne líšia.
Táto sila je magnetickou časťou elektromagnetickej sily Felmag a budeme ju nazývať Lorentzovou silou, hoci je iba časťou tejto sily.
Keby nebolo magnetického poľa častica by sa samozrejme pohybovala priamočiaro konštantnou rýchlosťou v. Kruhový pohyb nanucuje častici magnetické pole B.
Je len samozrejmé, že dostredivá sila nekoná žiadnu prácu, tak ako sa nekoná práca pri pohybe elektrónu v klasickom (nie v kvantovomechanickom) vodíkovom atóme a tiež pri pohybe satelitu okolo planéty.
Prečítajte si tiež: Analýza vplyvu zbraní
Treba si tiež uvedomiť, že Lorentzova sila je relativistická sila, závislá od rýchlosti, treba preto brať do úvahy všetky dôsledky tohto faktu.
Iná je situácia, ak je súbor elektrických nábojov súčasťou vodivého materiálu (napr. tenkého ideálne vodivého drôtu) ak sa v ňom udržuje elektrický prúd I.
Smer prúdu nábojov hnaných zdrojom EMN (budeme predpokladať, že sa jedná o kladné náboje) je diktovaný orientáciou prúdovodiča a prúdová dráha nie je nutne kružnica predpísaného polomeru r a neodpovedá pohybu podľa výrazu (1), častice sa snažia pohybovať po predpísanej kružnici od Lorenzovej sily, ale z vodiča vystúpiť nemôžu.
Prúd I v obvode udržuje zdroj elektromotorického napätia (EMN - napr. galvanický článok, jednosmerný generátor napätia a pod.), pričom náboje sa vo vodiči pohybujú driftovou, konštantnou rýchlosťou vd.
Rýchlosť vd je konštantná preto, lebo v obvode je odpor, ktorý vytvára „treciu“, brzdnú silu, opačnú ako je hnacia sila zdroja EMN, dFe ktorá núti náboje prekonávať odporovú bariéru, bez brzdnej sily by sa náboje vo vodiči pohybovali so zrýchlením.
Prečítajte si tiež: Typy striel .38 Special
Pri pohybe nábojov v prúdovodiči (v drôte) pôsobí na ne priečna Lorentzova sila (na obr. 2a zdola nahor), kladné náboje sa posúvajú priečne nahor, dole vzniká ich nedostatok, pretože vodič je ináč elektricky neutrálny.
Vo vodiči takto vzniká Hallov jav (pozri odsek 8.5.2 citovanej učebnice), vzniká v ňom intenzita elektrického poľa EH a s ňou spojene Hallovo napätie UH. Hallova intenzita nepôsobí silovo na vodič, preto si ju v ďalšom nebudeme všímať.
Treba si ale uvedomiť, že práve proti „Hallovej sile“ od plášťa vodiča pôsobí Lorentzova sila na náboje vo vodiči.
Sila je vektorová veličina, ktorá musí mať lokalizované svoje pôsobisko a z takého integrálu, ktorý je vlastne vektorovým integrálnym súčtom elementárnych síl nevidieť, kde na prúdovej dráhe sila pôsobí.
Situácia by sa ešte viac skomplikovala, ak by sa integrál mal počítať po uzavretej dráhe l (!) (veď musíme mať na pamäti, že stacionárne prúdy musia tiecť po uzavretých vodivých krivkách).
Prečítajte si tiež: Všetko o brokových nábojoch do revolvera
Tu namiesto síl treba uvažovať točivé momenty magnetických síl na prúdový obvod, ktoré by boli nenulové (pozri napr. odsek 6.4.2 cit.
Element Idl sa pohybuje rýchlosťou v a náboje v ňom sa pohybujú driftovou rýchlosťou vd. Ak tieto rýchlosti vektorovo sčítame na rýchlosť vc = v + vd, potom kolmo na rýchlosť vc možno zkonštruovať „Lorentzovu silu“ dFL = dQvc × B pôsobiacu na nábojový element dQ v objeme elementárneho prúdovodiča.
Sila dFL možno ale rozložiť na jej zložky (pozdĺž elementu Idl a kolmo naň), ktoré s prácou súvisia.
Či možno v takej situácii hovoriť, že magnetické sily nikdy nekonajú prácu, to už nech každý posúdi sám!
Záverom možno povedať, že silové pôsobenie na prúdy v magnetickom poli je veľmi zložité, ale všetky pôsobiace sily okrem sily zdroja EMN a vonkajšej, mechanickej sily majú pôvod v Lorentzovej sile (1).
Na voľné náboje v magnetickom poli Lorentzova sila pôsobí tak, že zakrivuje ich dráhy, ale nikdy nevykonáva na nich prácu.
Ampérova sila, pôsobiaca na prúdovodiče pretekané prúdmi v magnetickom poli, môže spôsobiť posun prúdovodičov v poli a teda môže na nich prácu vykonávať.
Sila elektromagnetickej indukcie vytvára pozdĺž vodiča indukované elektromotorické napätie a indukované prúdy v súhlase s Lenzovym pravidlom a nakoniec sila elektromagnetickej indukcie priamo na náboje priečne vo vodiči (Hallov jav), vytvára vo vodiči priečne Hallovo napätie UH s Hallovou intenzitou EH.
Keď počujem tvrdenie, že magnetické sily nikdy prácu nekonajú - okamžite si kladiem otázku: Ako teda pracujú veľké elektromagnety, ktoré prenášajú ťažké bremená, elektrické točivé stroje (elektromotory, dynama) atď.?
Ako funguje vysokofrekvenčný ohrev a magnetické brzdy?
Dostanem asi odpoveď, že magnetické polia, ktoré túto prácu vykonávajú, sú dôsledky elektrických prúdov, ktoré ich vytvárajú a tie prácu vykonávajú na úkor energie zdrojov elektromotorických napätí, alebo na účet vnútornej energie permanentných magnetov.
V poriadku, ale práve takáto je filozofia zavedenia pojmu „magnetizmus“ - je to silový odraz pohybu elektrických nábojov, alebo toku elektrických prúdov v priestore a magnetické pole je ich prostredníkom!
Pokúsme sa niektoré vlastnosti síl magnetických polí posúdiť tak povediac - od podlahy.
Predovšetkým preskúmajme vlastnosti elektrického obvodu na obr. 1, kde ukážeme, že zmena magnetickej energie je spojená s prácou.
Keď sa zapne prepínač P z polohy 0 do polohy 1 v obvode začne pôsobiť zdroj elektromotorického napätia (EMN) U s vnútorným odporom Ri pripojený k indukčnosti L (indukčnosť tvorí napr. jednovrstvová valcová cievka - solenoid).
V obvode tečie elektrický prúd I, ktorý v okamihu zapnutia prepínača P do polohy 1 stúpa exponenciálne z nulovej hodnoty a po teoreticky nekonečnej dobe (prakticky po dobe asi 5L/Ri - čo je päťnásobok časovej konštanty obvodu) dosiahne asymptotickú hodnotu I∞ = U/Ri(bez prítomnosti indukčnosti by prúd stúpol okamžite na hodnotu I∞).
Položme si otázku aká energia zo zdroja sa spotrebuje za nekonečne dlhý čas.
Zaujímavejšie je, čo sa deje v indukčnosti, v solenoide.
Výpočet v odseku 7.7 citovanej učebnice ukazuje, že v indukčnosti, za nekonečne dlhý čas, pri konečnom, stacionárnom prúde I∞ sa uloží vo forme magnetického poľa len konečná potenciálna magnetická energia veľkosti Wm = (1/2)LI∞2= (1/2)FiI∞, kde Fi= LI∞ je magnetický indukčný tok solenoidom.
Kde sa táto energia zobrala?
Predsa v prúde, ktorý musel zdroj cez odpor a indukčnosť pretlačiť!
Na odpore sa za istý čas časť dodanej energie nevratne premenila na teplo na indukčnosti musel zdroj premáhať indukované EMN veľkosti LdI/dt a tak „pumpoval“ magnetickú energiu do indukčnosti, až na jej konečnú hodnotu Wm.
Ak chceme nájsť odpoveď na túto otázku, prepnime v ustálenom stave prúdu I∞ v obvode prepínač P do polohy 2.
Táto operácia na veľkých indukčnostiach (napr. na ťažkých elektromagnetoch) s veľkými prúdmi môže mať pri neopatrnosti dramatické dôsledky.
Elektrický obvod indukčnosti sa pri tejto operácii nesmie ani na okamih prerušiť.
Ak by sa tak stalo, indukované elektromotorické napätie na indukčnosti LdI/dt, by teoreticky narástlo do nekonečna, prakticky na veľmi veľkú hodnotu (pri okamžitom prerušení prúdu dI/dt → ∞) a to by mohlo viesť k zničeniu veľkej indukčnosti v horšom prípade k ohrozeniu obsluhy.
Po prepnutí prepínača do polohy 2, v prvom okamihu spojitý prúd I∞ má tendenciu klesať, pokles indukčného toku v čase však okamžite indukuje v cievke elektromotorické protinapätie, ktoré sa snaží udržať prúd v novom obvode a v rovnakom smere.
Pod účinkom tohto napätia prúd neklesne okamžite, ale bude k nule klesať exponenciálne s časovou konštantou L/R (pozri odsek 7.9 v cit. učebnici).
A tak aj bez vonkajšieho zdroja prúd tečie v obvode s odporom Ri a nevratne odovzdáva odporu tepelná energiu s výkonom RiI2.
Výpočet ukazuje, že celková práca magnetického poľa odovzdaná odporu Ri je WT = Wm = (1/2)LI∞2 = (1/2)FiI∞, teda práca, ktorá sa rovná energii v indukčnosti v okamihu prepnutia prepínača do polohy 2.
Je to sila elektromagnetickej indukcie, ktorá ženie náboje cez odpor Ri a tam vykoná tepelnú prácu.
V obvode pôsobí ideálny zdroj EMN U pripojený pomocou dvoch zberníc k vodivej tyči hmotnosti m s elektrickým odporom R. Tyč je predbežne pevne pripojená k zberniciam.
Po uplynutí dostatočne dlhého času od zopnutia spínača S, keď zanikne prechodový jav súvisiaci s nenulovou indukčnosťou L obvodu, tečie v obvode elektrický prúd I = U/R a pri danom smere prúdu I Ampérove sily FA = IBl na jednotlivých úsekoch obvodu (l sú jednotlivé dĺžky priamych úsekov obvodu, pre kolmé úseky l = b), pôsobiace na jednotlivé časti obvodu sa snažia zväčšiť plochu prúdového obvodu.
Ak by bol smer prúdu, alebo magnetického poľa opačný, obvod by mal snahu sa „scvrknúť“.
Ak by sme sa na obvod dívali ako na elementárnu prúdovú slučku (magnetický „dipól“), je tu analógia s elektrickým dipólom, ktorého vlastne elektrické pole sa tiež snaží „zlikvidovať“ dipól tak, že ho zneutralizuje.
Uvoľnená tyč pod účinkom Ampérovej sily FA(t) = I(t)bB má tendenciu pohybovať sa doprava.
tags: #vplyv #magnetickeho #pola #na #naboj