Oddział Warszawski Polskiego Towarzystwa Fizycznego
Instytut Fizyki Doświadczalnej UW

Andrzej Wysmołek

Zjawiska magnetyczne w przyrodzie

Początki wiedzy o magnetyzmie sięgają czasów starożytnych. Wiadomo było wówczas, że rudy żelaza (magnetyt, piryt) wykazują tę właściwość, że przyciągają kawałki żelaza. Nazwa "magnes' bierze swój początek od nazwy miasta Magnezja w Azji Mniejszej. W średniowieczu zauważono, że igła magnetyczna ustawia się wzdłuż kierunku północ południe, co doskonale ułatwiło orientację na morzu. Okazuje się jednak, że bieguny magnetyczne Ziemi zamieniają się co jakiś czas miejscami. Ostatnia zamiana miała miejsce ok. miliona lat temu...

Z polem magnetycznym Ziemi wiąże się szereg ciekawych zjawisk w atmosferze, takich jak np. zorza polarna. Pole magnetyczne jest też tarczą, która chroni Ziemię przed wiatrem słonecznym - naładowane cząstki z wiatru słonecznego (głównie elektrony i protony) są więzione w obszarze tzw. pasów van Allena. Oczywiście Ziemia nie jest jedynym obiektem w kosmosie, który wytwarza pole magnetyczne. Znacznie silniejsze pola, dochodzące nawet do miliarda tesli (T), wytwarzają gwiazdy neutronowe...

Pole magnetyczne można opisywać używając pojęcia "linii indukcji pola magnetycznego". Czym różnią się te linie od linii sił pola elektrostatycznego powstającego wokół ładunków? Okazuje się, że w przeciwieństwie do linii sił pola elektrycznego, linie indukcji pola magnetycznego są zawsze zamknięte, tzn. nie mają początku ani końca...

W trakcie wykładu pokażemy, że pole magnetyczne wytwarzają nie tylko magnesy stałe, ale powstaje ono również wokół przewodników, w których płynie prąd. Stanowi to podstawę konstrukcji nowoczesnych magnesów wytwarzających pole magnetyczne o indukcji kilkudziesięciu, a nawet kilkuset T (tesli). Do konstrukcji magnesów często wykorzystuje się nadprzewodniki. To one właśnie stanowią serce magnesów używanych w medycynie do badań jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR). Nadprzewodniki odgrywają też kluczowa rolę w konstrukcji szybkiego pociągu poruszającego się na poduszce magnetycznej.

Pole magnetyczne, wytworzone przez prąd elektryczny płynący w przewodniku, oddziałuje nie tylko z magnesem sztabkowym, a również innym prądem. Jakie reguły rządzą oddziaływaniem przypływających obok siebie prądów? Kiedy równoległe przewodniki z prądem przyciągają się, a kiedy odpychają? Sprawdzimy to doświadczalnie, a potem wykorzystamy do wyjaśnienia działania silnika elektrycznego.

Ruch przewodnika w polu magnetycznym powoduje powstanie siły elektromotorycznej. Zjawisko to nazywamy indukcją elektromagnetyczną. Sprawdzimy, że wyidukowany prąd przeciwstawia się zmianom, które go wywołują. Zachowanie to, zgodne z regułą Lenza, wynika bezpośrednio z zasady zachowania energii.

Znając zjawisko indukcji elektromagnetycznej można wyjaśnić nie tylko zasadę działania wyrzutni krążków i latającego talerza, które zaprezentujemy na wykładzie, ale również silników, prądnic, transformatorów i innych urządzeń współczesnej techniki...