Nazwa szkoły: ZSO NR 5 GIMNAZJUM NR 17 ID grupy: 98/5_MF_G2

2. Nazwa szkoły: ZSO NR 5 GIMNAZJUM NR 17 • ID grupy: 98/5_MF_G2 • Opiekun: Jolanta Bogulas • Kompetencja: Matematyczno- Fizyczna • Temat projektowy: W świecie • magnetycznych oddziaływań • Semestr czwarty / rok szkolny 2011/2012

3. AUTORZY PROJEKTU • Opiekun Grupy: Jolanta Bogulas • Lider Grupy: Dawid Stanisławski • Zastępca Lidera: Michał Jezik • Kronikarz: Olga Nowak • Sprawozdawcy: Damian Kasprowicz i Patryk Czerniakowski • Oraz: Sandra Cybulska, Maciek Solakiewicz, Kamila Zielińska, Klaudia Rydzewska i Paulina Bogucka.

4. Plan prezentacji • Historia magnetyzmu. • Ziemskie pole magnetyczne. • Rodzaje i właściwości magnesów. • Linie sił pola magnetycznego wokół magnesów. • Linie sił pola magnetycznego wokół przewodników. • Elektromagnes i jego zastosowania.

5. 7. Siła elektrodynamiczna. • 8. Silnik elektryczny. • 9. Prąd indukcyjny. • 10. Prądnica i transformator. • 11. Zjawiska optyczne występujące w przyrodzie. • 12. Zastosowanie pola magnetycznego w medycynie.

6. Historia MAGNETYZMu • Zjawisko magnetyzmu fascynuje człowieka od tysięcy lat – Święty Augustyn pisał, że był “jak uderzony piorunem” gdy zobaczył magnetyt przyciągający żelazo. Chociaż przyciąganie magnetyczne zaobserwowano jeszcze w starożytności, proces zrozumienia tego zjawiska trwał relatywnie długo. W minionym stuleciu w tej dziedzinie nastąpił skokowy przyrost zarówno wiedzy, jak i dostępnych rozwiązań technologicznych.

7. Historia magnetyzmu zaczyna się jeszcze przed narodzeniem Chrystusa, kiedy między innymi Grecy i Chińczycy zauważają własności magnetytu, będącego naturalnym magnesem. Nazwa magnes pochodzi od regionu Grecji o nazwie Magnesia, gdzie odkryto, jeszcze w starożytności, złoża tegoż magnetytu.

8. Ziemskie pole magnetyczne W 1600 roku William Gilbert jako pierwszy wysunął hipotezę dotyczącą występowania pola magnetycznego w pobliżu Ziemi. W celu jej zweryfikowania z magnetytu zbudował model Ziemi i przykładając do niego niewielki kompas, badał kierunek pola magnetycznego na jego powierzchni. Na podstawie swoich doświadczeń wywnioskował, że Ziemia jest dużym kulistym magnesem, a jej pole magnetyczne nie jest pochodzenia nadprzyrodzonego, ale wynika z jej budowy wewnętrznej. William Gilbert

9. Ziemskie pole magnetyczne • Pole magnetyczne występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi. Odpowiada ono w przybliżeniu polu dipola magnetycznego z jednym biegunem magnetycznym w pobliżu geograficznego bieguna północnego i z drugim biegunem magnetycznym w pobliżu bieguna południowego. Linia łącząca bieguny magnetyczne tworzy z osią obrotu Ziemi kąt 11,3°. Pole magnetyczne rozciąga się na kilkadziesiąt tysięcy kilometrów od Ziemi, a obszar w którym ono występuje nazywa się ziemską magnetosferą.

10. Ziemskie pole magnetyczne naszą tarczą

11. Po przeprowadzeniu licznych badań stwierdzono, że położenie biegunów magnetycznych Ziemi nie jest stałe, lecz ulega pewnym przesunięciom z biegiem czasu. Bieguny magnetyczne Ziemi znajdują się w pobliżu przeciwstawnych biegunów geograficznych

12. Ziemskie pole magnetyczne

13. Pole magnetyczne • Polem magnetycznym nazywamy taki stan przestrzeni, w którym na poruszające się ładunki oraz na ciała namagnesowane działają siły. • Wielkościami charakteryzującymi pole magnetyczne są wektor indukcji magnetycznej oraz wektor natężenia pola magnetycznego .

14. Opis pola magnetycznego W każdym punkcie przestrzeni pole magnetyczne określone jest wektorem natężenia pola magnetycznego. Wektor ten określa się przez podanie współrzędnych w układzie współrzędnych Ziemi podając jego składową północną, wschodnią i pionową. W układzie współrzędnych cylindrycznych określa się deklinację, składową poziomą, oraz składową pionową, a w układzie sferycznym określa się inklinację, deklinację i moduł natężenia. Deklinacją pola magnetycznego jest kąt między jego składową poziomą a południkiem geograficznym. Inklinacja jest to kąt jaki tworzy wektor natężenia pola z płaszczyzną poziomą. Na mapach wytycza się linie łączące punkty o jednakowej deklinacji zwane izogonami. Linie łączące punkty o jednakowej inklinacji, to izokliny, izoklina odpowiadająca inklinacji równej 0° nazywana jest równikiem magnetycznym.

15. Natężenie pola magnetycznego • Natężenie pola magnetycznego jako pierwszy zmierzył Carl Friedrich Gauss w 1835 roku, od tego czasu pole magnetyczne było mierzone wielokrotnie, a od XX wieku jest mierzone regularnie w wielu ośrodkach badawczych. Dane z tego okresu wykazują, że pole magnetyczne cały czas zmienia się. Przy czym wyróżnia się składową zmienną, oraz wartość uśrednioną zwaną stałe pole magnetyczne. Stałe pole magnetyczne ulega też powolnej zmianie, słabnie wykładniczo z czasem połowicznego zaniku w przybliżeniu równym 1400 lat. Obecnie jest 10-15% słabsze niż 150 lat temu. • Natężenie pola magnetycznego jest znacznie większe w jądrze Ziemi niż na jego powierzchni. Według pomiarów z 2010, przeciętne natężenie pola magnetycznego w jądrze zewnętrznym wynosi 25 Gausów - 50 razy tyle co na powierzchni Ziemi

16. Klasyfikacja zmian pola magnetycznego Ziemi • Zmienne pole magnetyczne Ziemi jest definiowane jako różnica pomiędzy wartością obserwowaną składowych natężenia pola magnetycznego a średnią wartością obliczoną dla ustalonego przedziału czasowego. Wyróżniamy następujące zmian czasowe pola magnetycznego: • Zmiany długookresowe (wiekowe) – wywoływane przez powolne zmiany namagnesowania wnętrza Ziemi. Mają charakter periodycznych zjawisk o okresie 500-600 lat. Przyczyną jest przesuwanie się bieguna magnetycznego Ziemi po krzywej zamkniętej.

17. Zmiany krótkookresowe: • Zmiany spokojne (płynne) podlegające określonym prawidłowościom wywołane przez ruchy przypływowe jonosfery. • zmiany dobowe słoneczne, • zmiany dobowe księżycowe, • Zmiany zaburzone. Mają one charakter nieuporządkowany. • zmiany nieregularne, • zmiany aperiodyczne, • wariacje dobowe zaburzone, • Zakłócenia i burze magnetyczne. Są to nagłe i nieokresowe zmiany elementów pola magnetycznego Ziemi (czas trwania do kilku dni). • zakłócenia lokalne, • zakłócenia zatokowe (charakter prawidłowy, lecz nie posiadające okresu), • burze magnetyczne (wywoływane są przez promieniowanie korpuskularne pochodzące od Słońca), • pulsacje (sinusoidalne wahania natężenia pola o amplitudzie kilku jednostek i okresie kilku minut)

18. Zmienne pole magnetyczne • Zmienne pole magnetyczne zmienia swoją wartość o 1% jego wartości, czasami zmiana ta dochodzi do 5%. Główną przyczyną zmian są zjawiska zachodzące wokół Ziemi, takie jak deformacja pola magnetycznego wywoływana przez wiatr słoneczny, zmiany w jonosferze ziemskiej (dynamo atmosferyczne). Obserwuje się zmiany okresowe z najsilniejszą zmianą dobową, znacznie słabszą zmianę wywołaną położeniem Księżyca. Przyczyną powtarzających się zmian dobowych jest słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne wpływające na intensywność prądów w jonosferze. Także Księżyc powoduje pływy w jonosferze ziemskiej, będącej częścią atmosfery. • Duży wpływ na zaburzenia ziemskiego pola magnetycznego ma aktywność słoneczna w postaci koronalnych wyrzutów masy i zmian w natężeniu wiatru słonecznego. Czasami powodują duże zmiany głównie składowej horyzontalnej, określane mianem burz magnetycznych, podczas których następują zakłócenia w łączności, a czasem nawet uszkodzenia linii przesyłowych energii elektrycznej. Zorza polarna staje się jasna i obserwuje się ją wtedy na szerokościach geograficznych, gdzie zwykle nie występuje: nawet w Polsce albo nawet jeszcze dalej na południe.

19. Powstawanie pola magnetycznego Najstarsze poglądy, mówiące, że pole magnetyczne jest wynikiem namagnesowana głębokich warstw Ziemi, zostały skrytykowane na początku XX w. po odkryciu przez Piotra Curie granicznej temperatury, powyżej której substancje przestają być ferromagnetykami. Temperatura wnętrza Ziemi jest znacznie wyższa od temperatury Curie znanych substancji. Teorią uznawaną obecnie za najbardziej prawdopodobną jest hipoteza zaproponowana przez Edwarda Bullarda, mówiąca, że pole magnetyczne Ziemi wywołują wirowe prądy elektryczne płynące w płynnym jądrze Ziemi. Teoria ta, zwana "samowzbudne dynamo" lub "geodynamo", znajduje poparcie w magnetohydrodynamice – uzyskuje tu uzasadnienie matematyczne w modelu zwanym dynamem magnetohydrodynamicznym. Obecnie uważa się, że siłą napędową geodynama są prądy konwekcyjne w płynnym jądrze Ziemi. W prądach tych, ruch obrotowy Ziemi poprzez efekt Coriolisa, wywołuje wiry działające jak jednobiegunowy generator Faradaya, wytwarzając prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne. Modele matematyczne, budowane w oparciu o założenia dynama magnetohydrodynamicznego, przewidują zmiany pola magnetycznego oraz utratę jego charakteru dipolowego.

20. Rodzaje magnesów Magnesy sztabkowe Magnesy podkowiaste

21. Rodzaje magnesów Magnesy neodymowe

22. RODZAJE MAGNESÓW samarowo-kobaltowe - (SmCo5) jest związkiem samaru i kobaltu, neodymowe (spiekane i wiązane) oparte na związkach neodymu, ceramiczne– ceramiczne spieki tlenków żelaza, plastyczne - magnesy niemetaliczne, zbudowane z polimerów zawierających nikiel, alnico - wykonane ze związków glinu (Al) niklu (Ni) i kobaltu (Co) (Al-Ni-Co).

23. MAGNESY SAMAROWO-KABALTOWE : • (Sm-Co) były pierwszymi z grupy nowoczesnych magnesów typu pierwiastek ziemi rzadkiej-metal (Re-M), które wprowadzono do produkcji masowej. Są one produkowane metodami metalurgii proszków, z reguły jako magnesy anizotropowe. Obecnie magnesy te wytwarzane są na bazie dwóch związków międzymetalicznych SmCo5 (tworzywa S18, S20) lub Sm2Co17 (tworzywa S22, S24, S26, S28, S30), przy czym magnesy typu Sm2Co17 cechują większe wartości remanencji Br i nieco wyższa stabilność temperaturowa. • Do zalet jakie posiada magnes samarowo-kobaltowy zalicza się przede wszystkim wysoką stabilność temperaturową parametrów magnetycznych (zbliżoną do magnesów typu alnico), której towarzyszą duże wartości: gęstości energii (BH)max, koercji jHc oraz remanencji Br. Należy także zauważyć, że w zakresie dopuszczalnych temperatur pracy magnesy SmCo posiadają bardzo wysoką odporność na korozję, a dzięki dużym wartościom koercji jHc mogą pracować w obecności silnych pól odmagnesowujących.

24. Magnesy samarowo-kobaltowe wykorzystuje się w małych silnikach i prądnicach, przyrządach pomiarowych i kontrolnych, różnego typu przetwornikach i czujnikach oraz w wielu innych urządzeniach wymagających stabilnego pola magnetycznego w zmiennych temperaturach (-60 - 250oC). Stosowanie magnesów Sm-Co o dużej gęstości energii magnetycznej i wysokiej koercji umożliwia miniaturyzację urządzeń, które dotychczas były wykonywane z wykorzystaniem magnesów ferrytowych i alnico. 

25. Magnesy neodymowe - spiekane •  (Nd-Fe-B) odniosły największy sukces rynkowy spośród grupy nowoczesnych magnesów typu ziemia rzadka-metal (Re-M). Swoje znakomite właściwości magnetyczne zawdzięczają związkowi Nd2Fe14B odkrytemu w 1984 r. Wytwarzane są metodami metalurgii proszków, a dzięki prasowaniu w polu magnetycznym lub obróbce plastycznej w podwyższonej temperaturze uzyskują strukturę anizotropową. Uzyskano dla nich rekordowo duże maksymalne gęstości energii (BH)max (ok. 400 kJ/m3). Magnesy te posiadają także duże wartości remanencji Br, podobne jak dla magnesów alnico, jednak ich pola koercji jHc są kilkudziesięciokrotnie wyższe, co umożliwia pracę w obecności silnych pól odmagnesowujących. W porównaniu do magnesów samarowo-kobaltowych posiadają jednak niższy zakres temperatur pracy, a ich właściwości magnetyczne są w znacznie większym stopniu zależne od temperatury. Ze względu na zawartość neodymu o dużej skłonności do utleniania magnesy powlekane są cienkimi warstwami antykorozyjnymi. Najczęściej są to powłoki: Ni, Zn, Ni-Zn lub Ni-Cu-Ni.

26. Możliwe jest także powlekanie warstewkami srebrnymi, złotymi, złoto-niklowymi a także fosforanowanie lub epoksydowanie. Najważniejsze zalety, które posiada spiekany magnes neodymowy to: ekstremalnie duże maksymalne gęstości energii (BH)max, bardzo duże wartości koercji jHc oraz duże wartości remanencji Br. Sprzyja to stosowaniu tych magnesów tam, gdzie wymagana jest duża miniaturyzacja. wysokich temperatur.  • Podstawowe zastosowania spiekanych magnesów Nd-Fe-B to: silniki, prądnice, urządzenia elektroniczne (głośniki, mikrofony, alarmy itp.), zabawki mechaniczne, separatory, serwomotory, siłowniki, uchwyty i wiele innych urządzeń, w których wymagana jest obecność silnego pola magnetycznego w zakresie niezbyt

27. KSZTAŁT LINII POLA MAGNETYCZNEGO WOKÓŁ MAGNESÓW – magnes sztabkowy

28. Magnes podkowiasty

29. Oddziaływanie biegunów magnetycznych Lewitujące Magnesy

30. Blaszka lewituje nad magnesami

31. Oddziaływanie biegunów magnetycznych

32. Oddziaływanie pola magnetycznego wokół przewodników Przewodnik prostoliniowy, przez który płynie prąd elektryczny, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, którego linie tworzą okręgi leżące w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika o środkach leżących na przewodniku.

33. Zwrot linii tego pola wyznacza się za pomocą reguły prawej dłoni: Jeżeli prawą ręką obejmiemy przewodnik z prądem w taki sposób, że kciuk zwrócony będzie zgodnie z kierunkiem płynącego w przewodniku prądu, to pozostałe cztery palce pokażą zwrot linii pola magnetycznego

34. Przewodnik kołowy • Linie pola magnetycznego wokół przewodnika kołowego są także okręgami otaczającymi przewodnik. Do wyznaczania biegunów przewodnika kołowego stosujemy regułę prawej dłoni w ten sam sposób, jak dla zwojnicy. Oznacza to, że zginamy cztery palce prawej dłoni w kierunku, w którym płynie prąd w przewodniku (będącym jak gdyby pojedynczym zwojem), a odchylony kciuk wskazuje nam biegun północny. Biegun południowy znajduje się po przeciwnej stronie.

35. ZWOJNICA • Wytwarza pole magnetyczne, którego linie na zewnątrz zwojnicy mają podobny przebieg , jak w przypadku magnesu sztabkowego. Wewnątrz zwojnicy linie pola są do siebie równoległe.Aby rozpoznać położenie biegunów magnetycznych pętli i zwojnicy, możemy posłużyć się regułą prawej dłoni.

36. Reguła prawej dłoni • Jeśli prawą dłonią obejmiemy zwojnicę tak, aby 4 palce skierowane były zgodnie z płynącym w zwojach prądem, to odchylony kciuk wskaże zwrot linii pola magnetycznego wewnątrz zwojnicy (czyli wskaże koniec zwojnicy, przy którym położony jest biegun północny powstałego magnezu).

37. Elektromagnes • Elektromagnes – urządzenie wytwarzające pole magnetyczne w wyniku przepływu przez nie prądu elektrycznego. Zbudowany jest z cewki nawiniętej zazwyczaj na rdzeniu ferromagnetycznym, o otwartym obwodzie magnetycznym, zwiększającym natężenie pola magnetycznego w części otoczenia zwojnicy. Pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes wzrasta przy wzroście natężenia prądu elektrycznego płynącego przez cewkę. Pole magnetyczne zanika, gdy prąd przestaje płynąć.

38. Nasz elektromagnes

39. Kto zbudował pierwszy elektromagnes • Pierwszy elektromagnes zbudował William Sturgeon w 1825 roku. Zwinął on wokół żelaznej sztabki izolowany drut miedziany. W czasie przepływu prądu układ ten stawał się silnym magnesem. Od tamtej pory elektromagnes znalazł mnóstwo zastosowań praktycznych. Pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes wzrasta po zwiększeniu liczby zwojów lub natężenia przepływającego prądu przy stałej długości zwojnicy. Im więcej cewka ma zwojów oraz im większy przepływa przez nią prąd, tym silniejsze jest pole magnetyczne elektromagnesu.

40. Zastosowania elektromagnesu • maszyny elektryczne • silnik elektryczny • prądnice • głośniki, dzwonki, przekaźniki, styczniki, itp. • kolej magnetyczna • w urządzeniach wykorzystujących jądrowy rezonans magnetyczny

41. dźwigi elektromagnetyczne • huty (przenoszenie złomu żelaznego) • stocznie (transport blach stalowych) • hale (utrzymywanie ciężkich części stalowych) • akcelerator kołowy • lampy kineskopowe • instalacje alarmowe • zamki

42. Model prostego elektromagnesu

44. Kolej Magnetyczna • Kolej magnetyczna (zwana czasem Maglev od ang. magnetic levitation – lewitacja magnetyczna) – kolej, w której tradycyjne torowisko zostało zastąpione przez układ elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru, gdyż cały czas unosi się nad nim. Do realizacji tego zadania wykorzystuje się elektromagnesy wykonane z nadprzewodników (w Japonii) lub konwencjonalne (w Niemczech). Pojazdy mogą przez to rozwijać duże prędkości. • Dzięki zastosowaniu magnesów eliminowane jest tarcie kół, które w tradycyjnych pociągach znacznie ogranicza maksymalną prędkość jazdy. Przede wszystkim jednak omija się problem dynamiki koło-szyna, gdzie występują zjawiska o charakterze rezonansowym ograniczające bezpieczny zakres prędkości. Dzięki temu maglevy zbliżają się do 600 km/h (rekord świata w prędkości magleva należy do japońskiej wersji pociągu; został osiągnięty 2 XII 2003 i wynosi 581 km/h, jest więc o 6 km/h większy od rekordu TGV). Linie kolei magnetycznej istnieją w Japonii, Niemczech i Chinach.

45. Zasada działania kolei magnetycznej

46. SIŁA ELEKTRODYNAMICZNA Siła elektrodynamiczna (magnetyczna) - siła, z jaką działa pole magnetyczne na przewód elektryczny, w którym płynie prąd elektryczny.

47. Jeżeli lewą dłoń ustawi się tak, aby linie pola magnetycznego zwrócone były prostopadle ku wewnętrznej powierzchni dłoni (aby wnikały w wewnętrzną stronę dłoni), a wszystkie palce - z wyjątkiem kciuka - wskazywały kierunek i zwrot płynącego prądu dodatniego (poruszającej się cząsteczki), to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej na dodatni ładunek elektryczny umieszczony w tym polu (dla ładunku ujemnego zwrot siły będzie przeciwny).

48. Silnik elektryczny • Silnik elektryczny – maszyna elektryczna, w której energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną.

49. Głównymi częściami silnika elektrycznego są: stojan z jedną lub kilkoma parami elektromagnesów oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym. Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać.

50. Indukcja elektromagnetyczna • Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte w 1831 roku przez angielskiego fizyka Michała Faradaya.