Magnetismus
Přihlásit se
Magnetismus (3/12) · 8:59

Magnetická pole a pohybující se částice Magnetická pole a jejich vliv na pohybující se nabitou částici

Navazuje na Matematiku vektorů, Světlo a elektromagnetické vlny.
Už něco víme o magnetech. Podívejme se, zda se můžeme naučit i něco víc o magnetickém poli a jeho vlivu na pohybující se náboje. A tak se vlastně definuje magnetické pole. U jakéhokoliv typu pole je dobré napřed najít způsob, jak ho znázornit. V elektrostatickém poli jsme si kreslili siločáry. Zkusme to udělat stejně i u magnetického pole. Řekněme, že toto je můj tyčový magnet. Tohle je severní a tohle je jižní pól. Je zvykem kreslit siločáry magnetického pole od severního k jižnímu pólu. Můžete si to představit jako cestu, kterou by se vydal severní monopól. Začneme-li tady, pak severní monopól – ačkoliv víme, že se v přírodě nevyskytuje, i když by teoreticky mohl – ale jen pro naše účely řekněme, že máme magnetický severní monopól. Kdyby začal tady, chtěl by utéct od severního pólu a snažil by se dostat k jižnímu. Takže by potom... Jeho cesta by vypadala asi takto. Pokud by byl počátek tady, pak by možná cesta vypadala takto. Nebo kdyby byl počátek zde, cesta by vypadala takhle. Myslím, že chápete, o co jde. Jiný způsob, jak si to představit, je: Místo uvažování o magnetickém severním monopólu a jeho cestě, můžete se ptát: Co kdybych zde měl malý kompas? ...namaluji to jinou barvou... Řekněme, že zde mám kompas. Tady to nechci dělat. Udělám to tady. Střelka kompasu bude vlastně tečnou k siločáře. Střelka by v tomto bodě mohla vypadat asi takto. Vypadalo by to přibližně takto. A toto by byl severní pól střelky a toto by byl jižní pól. Tak je severní a jižní pól definován. Lidé měli kompasy a řekli si: Aha, to je pól orientující se na sever a ukazuje tím směrem. Ale ve skutečnosti hledá jižní pól velkého magnetu. A tak se dostáváme do matoucí diskuze o magnetickém zeměpisném severním pólu, na který jsme zvyklí a který je vlastně jižním pólem magnetu nazývaného Země. Můžete se podívat na předchozí video „Úvod do magnetismu“, aby vám to pořádně zamotalo hlavu. Ale myslím, že rozumíte. Sever je vždy přitahován jihem stejně jako kladný přitahuje záporný a naopak. A sever je severem odpuzován. A hlavní rozdíl v celém konceptu... Vlastnosti se zdají velmi rozdílné, ale později uvidíme, že jde o tu samou věc. Budeme mít elektromagnetickou sílu, až začneme probírat Maxwellovy rovnice, relativitu a tak. Ale tím se teď nebudeme trápit. V klasické elektřině a magnetismu se ovšem jedná o rozdílné síly. A hlavní rozdíl – ačkoliv siločáry jsou podobné – je v tom, že magnetická síla je vždy dvoupólová, zatímco elektrostatická síla může mít jen jeden pól. Můžete mít pouze kladný nebo záporný náboj. Fajn, teď si řeknete, Sale, to je bezva, nakreslil jsi tu siločáry. A pravděpodobně jste to už viděli, pokud jste vysypali železné piliny u magnetu. Piliny se uspořádají podél siločár. A můžete si říct: To je užitečné, ale jak zjistíme velikost magnetického pole v některém z bodů? A to je právě zajímavé. Velikost magnetického pole je určena, nebo spíše definována, na základě působení pole na pohybující se náboj. To je zajímavé. Naznačoval jsem vám, že máme rozdílnou sílu nazývanou magnetismus a že se liší od elektrostatické síly. Ale definujeme magnetismus na základě vlivu, který má na pohybující se náboj, to je trochu nápověda. A později se naučíte, až pokročíte ve fyzice, že magnetická síla nebo magnetické pole není nic víc než elektrostatické pole, které se pohybuje velmi vysokou rychlostí. Relativistickou rychlostí. Nebo byste se na to mohli dívat jako na různé referenční rámce. Nechci vás tím teď mást. Ale zpátky k základům fyziky. Takže pokud definuji magnetické pole jako B, B je vektor, udává magnetické pole. Víme, že síla působící na pohybující se náboj... To může být elektron, proton nebo jiný typ pohybující se nabité částice. A to je princip, který se využívá v urychlovačích, aby se částice pohybovaly se v kruzích a aby je bylo možné studovat na základě výchylky v magnetickém poli. Síla působící na náboj se rovná velikosti náboje, samozřejmě by mohla být kladná nebo záporná, krát, a to je zajímavé, vektorový součin rychlosti náboje a magnetického pole. Vezmete rychlost náboje a buď ji napřed znásobíte skalární hodnotou, nebo vezmete vektorový součin a násobíte skalárem. Na tom nezáleží, jde jen o číslo, není to vektor. Jde o vektorový součin rychlosti a magnetického pole násobený nábojem, a tak dostanete vektor síly působící na danou částici. Pokud trochu znáte vektorový součin, možná jste si tu něčeho všimli. Děje se tu něco zajímavého. Vektorový součin se týká vektorů, které jsou k sobě navzájem kolmé. Například pokud je rychlost přesně kolmá k magnetickému poli, dostaneme číslo. Pokud jsou tyto vektory rovnoběžné, pak magnetické pole nemá na náboj žádný vliv. To je jedna zajímavá věc. A další zajímavá věc je, že vezmete-li vektorový součin dvou vektorů, výsledek je kolmý k oběma těmto vektorům. To je zajímavé. Aby mělo magnetické pole vliv na náboj, pak musí být kolmé k rychlosti náboje. Potom je působící síla kolmá k oběma, k rychlosti náboje a k magnetickému poli. Vím, že vás to asi mate, tak si to procvičme na příkladech. Ještě předtím se ale podívejme na jednotky magnetického pole. Víme, že vektorový součin je to samé, co... No, jaká je velikost síly? Velikost síly se rovná... No, velikosti náboje, to je skalární veličina, takže stále náboj, krát velikost rychlosti krát velikost magnetického pole krát sinus úhlu mezi posledními 2 vektory. To je definice vektorového součinu a pak můžeme vzít, pokud bychom chtěli vlastní vektor síly, můžeme vynásobit toto vektorem, který získáme pravidlem pravé ruky. Za chvíli si to ukážeme. Ale teď se soustřeďme na jednotky. Sinus úhlu théta je bez jednotek, můžeme ho proto v této diskusi ignorovat. Jen chceme získat jednotky magnetického pole. Síla je v newtonech, můžeme zapsat N se rovná, náboj je coulombech, rychlost v metrech za sekundu a pak toto je krát, nevím, jak tomu teď říkat, třeba jednotky B. Pro teď budeme říkat jednotka B. Pokud vydělíme obě strany coulomby a metry za sekundu, dostaneme newtony/coulomby. A pak dělíme-li metry za sekundu, což je stejné jako násobení sekundami za metr, dostaneme jednotky magnetického pole. Takže magnetické pole je v rámci jednotek SI definováno jako Ns / Cm. A to se zdá příliš komplikované, a tak lidé přišli se skvělým jménem. Jednotka je pojmenována po muži, co si to opravdu zaslouží, a tím je Nikola Tesla. Tedy newton sekunda / coulomb metr se rovná jeden tesla. Končí mi časový limit pro tohle video a rád bych nějaký příklad ukázal vcelku. Ale chci, abyste o tom chvilku přemýšleli. Ačkoliv se v životě setkáváme s magnety a zásadně se liší od toho, co si představujeme pod elektřinou, ale velikost nebo vlastně jednotky magnetismu jsou definovány působením, který má na pohybující se náboj. A proto je jednotka tesla definována jako newton sekunda / coulomb metr. Takže tu máme elektrostatický náboj. Teď ukončím toto video. A možná o tom chvíli v klidu přemýšlejte. A snad to bude jasnější, až v dalším videu probereme příklady se skutečnými čísly. Na shledanou.
video