Dažādas magnētiskās parādības cilvēki pazina un izmantoja jau pirms vairākiem tūkstošiem gadu, un pieredze par šīm parādībām krājās cauri gadu simtiem, tomēr tikai salīdzinoši nesen, pirms pāris gadsimtiem, tika atklāta saikne starp strāvu un magnētisko lauku. Tika atklāts, ka elektriskajā ķēdē plūstoša strāva ietekmē tuvumā novietu kompasa magnētadatu (1. att.). Tas nozīmē – ja elektrības vadā plūst strāva, tad ap to pastāv magnētiskais lauks.
1.att. Kompasa adatas pagriešanās elektriskā lauka ietekmē
Magnētiskās mijiedarbības stipruma raksturošanai lieto fizikālu lielumu – magnētiskā lauka indukciju B, kas ir vektoriāls lielums. Magnētiskā lauka indukcijas mērvienība ir tesla (T). Ja apskata magnētisko lauku vadam perpendikulārajā plaknē, kad strāva plūst prom no mums, tad noteiktā attālumā ap vadu B vektori ir vērsti pa riņķa līnijas pieskari (2. att. a). Magnētiskā lauka grafiskai attēlošanai lieto arī magnētiskā lauka intensitātes līnijas (2. att. b). B vektori katrā magnētiskā lauka indukcijas līnijas punktā ir vērsti pa tās pieskari (2. att. b). Magnētiskā lauka indukcijas līnijas ap elektrības vadu ir koncentriski riņķi (2. att. b).
Skaties, kā izskatās magnētiskais lauks ap strāvas vadu animācijā.
2.att. Magnētiskā lauka indukcijas līnijas
Magnētiskā lauka indukcijas līnijas ir vērstas noteiktā virzienā. Šo līniju virzienu var noteikt vairākos veidos, piemēram, izmantojot “pudeles korķa likumu” (labās vītnes skrūves likums). Ja pudeles korķi griež tā, ka tā kustības virziens sakrīt ar strāvas virzienu vadā, tad korķa griešanās virziens sakrīt ar magnētiskā lauka indukcijas līniju virzienu (3. att. a). Virziena noteikšanai var lietot arī magnētadatas, kuras nostājas tā, ka to ziemeļpols (N) ir vērsts magnētiskā lauka intensitātes līniju virzienā (3. att. a). Vēl pastāv iespēja izmantot labās rokas likumu. Ja ar labo roku aptver strāvas vadu tā, ka īkšķis vērsts strāvas plūšanas virzienā, tad pirkstu gali parāda indukcijas līniju virzienu (3. att. b).
3.att. Magnētiskā lauka indukcijas līniju virziena noteikšana
Ap dažiem objektiem eksistē magnētiskais lauks bez elektriskās strāvas vai citu ārēju faktoru klātbūtnes. Tādus objektus sauc par pastāvīgajiem magnētiem. Magnēta vietas, kurās ir visspēcīgākais magnētiskais lauks, sauc par magnēta poliem. Magnētam parasti ir divi poli: ziemeļpols (N) un dienvidpols (S) (4. att.). Magnētiskā lauka indukcijas līnijas ap stieņa un pakavveida magnētiem redzamas 4. attēlā. Magnētiskā lauka vizualizācijai var izmantot dzelzs skaidiņas, jo tās nostājas magnētiskā lauka indukcijas līniju virzienā (4. att.). Pastāv arī materiāli, kuri uz laiku magnetizējas kāda cita magnēta ietekmē, piemēram, uz laiku iespējams magnetizēt skrūvgriezi vai dzelzs naglas.
Skaties, kā izskatās stieņa magnēta magnētiskā lauka līnijas.
4.att. Pastāvīgo magnētu indukcijas līnijas
Magnētisko polu mijiedarbība ir līdzīga elektrisko lādiņu mijiedarbībai. Ja tuvina divu magnētu pretējos polus, tad tie savstarpēji pievelkas (5. att. a), bet ja viens otram tuvumā nonāk divi vienādi magnēta poli, tad tie atgrūžas (5. att. b). Būtiska atšķirība starp magnētiem un elektriskajiem lādiņiem ir tā, ka dažādu zīmju elektriskos lādiņus var vienu no otra atdalīt, bet magnēta polus nevar. Tas nozīmē – ja mēs kādu magnētu sadalītu vairākās daļas, tad katrai daļai būtu savs ziemeļpols (N) un dienvidpols (S) (5. att. c).
Skaties DZM materiālu par magnētismu.
5.att. Magnētu īpašības
Zemei gluži kā pastāvīgajam magnētam ir savs magnētiskais lauks (1. att.), kuru cilvēki prata izmantot jau tālā senatnē, lai noteiktu vēlamo virzienu, kurā doties. Ja kompasa darbību neietekmē kādi spēcīgi traucējošie faktori, piemēram, tuvumā plūstoša strāva vai kāds spēcīgs magnēts, tad magnētiskā adata norāda ģeogrāfiskā ziemeļpola virzienā, kurā patiesībā ir apslēpts Zemes magnētiskais dienvidpols (1. att.) Ja kompasu izmanto ļoti precīzas orientēšanās nolūkiem, tad jāņem vērā fakts, ka magnētiskie poli neatrodas turpat kur ģeogrāfiskie poli, starpība ir vairāk nekā 1000 km, turklāt magnētiskie poli nestāv uz vietas, tie kustas ar aptuveno ātrumu 40 km gadā.
1.att. Zemes magnētiskais lauks
Zemes magnētiskais lauks ir diezgan vājš. Pastāvīgo magnētu lauks var būt simtiem un pat tūkstošiem reižu spēcīgāks. Tāpēc, ja kompasus novieto pastāvīgā magnēta tuvumā (2. att.), tad kompasi nostājas pastāvīgā magnēta indukcijas līniju virzienā. Bet tas nenozīmē, ka Zemes magnētiskais lauks kompasa adatas vairs neietekmē, kompasa adatu ietekmē gan Zemes, gan pastāvīgā magnēta lauks, tikai magnetā lauka ietekme ir daudz spēcīgāka.
2.att. Magnētiskā lauka vizualizācija ar kompasiem
Ja kādā punktā magnētisko lauku rada divi vai vairāk avoti, tad, līdzīgi kā elektriskā lauka gadījumā, kopējo magnētiskā lauka indukciju iegūst, vektoriāli saskaitot katra avota radīto magnētiskā lauka indukciju dotajā punktā. Piemēram, apskatīsim divu vadu, pa kuriem plūst strāva I1 un I2, radīto magnētisko lauku punktā M (3. att.). Zīmējumos ar “+” zīmi norāda, ka strāva vai magnētiskā lauka līnija iet vadā vai plaknē iekšā, bet ar “.” tiek parādīts, ka strāva vai magnētiskais lauks nāk no vada vai plaknes ārā. Līdzīgi kā ar dārta šautriņu – tai lidojot prom, redzam krusteniskos spārnus “+”, bet lidojot šurp, redzam aso smaili “.”. Vadu šķērsgriezuma plaknē (3. att.) redzams, ka vads ar strāvu I1 punktā M rada magnētisko lauku B1, bet otrs vads – B2. Divus vektorus var saskaitīt, izmantojot paralelogramma likumu: ja divi vektori sākas kāda paralelogramma virsotnē un vērsti katrs pa savu paralelogramma malu, tad šo vektoru summas vektors ir vērts pa paralelogramma diagonāli, kas sākas abu vektoru sākumpunktā (3. att.).
3.att. Magnētiskā lauka indukcijas superpozīcijas princips
Ja taisnu strāvas vadu, pa kuru plūst strāva I, saliec riņķveida rāmītī, tad magnētiskais lauks veido noslēgtus riņķus viscaur rāmītim (4. att. a). Ja magnētisko lauku apskata plaknē, kas šķeļ rāmīti un iet caur tā centru (4. att. b), tad redzams, ka rāmīša pretējo punktu radītie magnētiskie lauki rāmīša centrā ir vērsti vienā virzienā, rezultātā pastiprinot viens otru. Tā notiek ar magnētisko lauku no visiem rāmīša punktiem, tādēļ rāmīša centrā magnētiskais lauks ir visspēcīgākais.
4.att. Magnētiskais lauks riņķveida strāvas vadam
Jā strāvas rāmīšus novieto vienu virs otra, izveidojot spoli, tad centrā esošā magnētiskā lauka indukcija pastiprinās tik reizes, cik ir rāmīšu jeb spoles vijumu. Spoles vijumu skaits un līdz ar to magnētiskā lauka indukcija var sasniegt lielas vērtības, tādēļ spoles izmanto magnētiskā lauka iegūšanai. Spoles iekšpusē magnētiskais lauks ir vērsts vienā virzienā, kas atkarīgs no strāvas plūšanas virziena, bet ārpusē spoles magnētiskais lauks atgādina stieņa magnētisko lauku (5. att. a). Lai noteiktu magnētiskā lauka virzienu, izmanto skrūves likumu. Skrūvi griež strāvas plūšanas virzienā, un skrūves kustības virziens norāda magnētiskā lauka līniju virzienu (5. att. b). Spoles magnētiskais lauks galvenokārt ir koncentrēts spoles iekšpusē.
Izmēģini, kā darbojas stieņa un spoles magnētiskie lauki!
5.att. Spoles magnētiskais lauks
Dažādi vadi, tinumi un spoles ir sastopamas katrā elektroierīcē, tādēļ brīdī, kad ierīce ir pieslēgta strāvai, ap to pastāv magnētiskais lauks. Lai gan niecīgs, bet magnētiskais lauks pastāv arī cilvēkā, un šī lauka mērījumi ir viens no veselības kontrolēšanas elementiem. Ļoti spēcīgi magnētiskie lauki sastopami ap dažādiem visuma objektiem, piemēram, neotrinu zvaigznēm. Dažādu ķermeņu un iekārtu magnētiskā lauka indukcijas vērtības apskatāmas 6. attēlā.
6.att. Dažādas magnētiskā lauka vērtības
Magnētiskā lauka indukcijas vērtību ap strāvas vadu var aprēķināt, izmantojot formulu B=μ0I:(2πR), kur
B – magnētiskā lauka indukcija, T
μ0– magnētiskā konstante, μ0≈1,26·10-6A:m2
I – strāvas stiprums, A
R – attālums līdz strāvas vadam, m
Ja magnētisko lauku mēra noteiktā attālumā no vada, mainot vadā plūstošo strāvas stiprumu I, tad magnētiskā lauka indukcija B pieaug lineāri atkarībā no strāvas stipruma I pieauguma (1. att. a). Savukārt, ja tiek saglabāta nemainīga strāvas stipruma vērtība, bet mainīts attālums līdz vadam, tad magnētiskā lauka indukcija mainās tā, kā redzams 1. att. b.
1.att. Magnētiskā lauka indukcija ap strāvas vadu
Kompasa magnētadatai ir vēlme nostāties tieši pa magnētiskā lauka intensitātes līniju. Uz ekvatora Zemes magnētiskā lauka līnijas ir paralēlas zemes virsmai (2. att. a), līdz ar to magnētadata turas horizontāli attiecībā pret zemi. Bet, pārvietojoties uz polu pusi, pieaug leņķis, kādā magnētiskā lauka līnijas ir vērstas attiecībā pret zemes virsmu (2. att. a), līdz uz paša pola magnētiskais lauks zemē ieiet pilnīgi perpendikulāri, līdz ar to arī kompasa adatai ir vēlme pilnībā “durties zemē”. Leņķi, kādā magnētiskais lauks ir vērsts attiecībā pret zemes virsmu, sauc par inklinācijas leņķi un to var izmārīt, lietojot speciāli iekārtu magnētadatu (2. att. b). Zinot inklinācijas leņķi, var aptuveni noteikt, kādos platuma grādos atrodamies.
2.att. Zemes magnētiskā lauka inklinācijas leņķis
Zemes magnētiskais lauks ne tikai noder kā orientieris, bet arī kā labs vairogs, kas aizsargā Zemi un tās iemītnieku dzīvību. Saules un citu Visuma objektu aktivitātes rezultātā Zemes virzienā tiek sūtītas dažāda veida enerģētiskas daļiņas, piemēram, protoni un elektroni, kas ir spējīgi negatīvi ietekmēt dzīvības procesus uz Zemes, bet Zemes magnētiskais lauks satver šīs daļiņas un neļauj tām nokļut līdz Zemes virsmai. Spēcīgākais daļiņu avots, protams, ir Saule, un tās daļiņu plūsmu sauc par Saules vēju. Saules vējš ir tik spēcīgs, ka tas deformē Zemes magnētisko lauku (3. att.), piešķirot tam nesimetrisku formu (3. att.).
3.att. Zemes magnētiskais lauks Saules vēja ietekmē
Veicot magnētiskā lauka mērījumus, ir iespējams atklāt vietu zem apmetuma, kur vijas elektrības vadi vai, piemēram, noteikt kur noslēpušās dzelzsrūdas iegulas, jo šajās vietās ir pastiprināts magnētiskais lauks. Magnētiskā lauka mērīšanai ir izstrādātas dažādas metodes. Mūsdienu tehnoloģijas atļauj primitīvus magnētiskā lauka mērījumus veikt pat ar viedtālruni (4. att.). Lejupielādējot speciālu aplikāciju, ir iespējams konstatēt magnētu klātbūtni skaļruņos (4. att.), noteikt, vai objekts ir veidots no dzelzs, un pat konstatēt dzelzs konstrukciju klātbūtni aiz rīģipša sienas. Tomēr jāatceras, ka magnētiskā lauka mērīšana ar viedtālruni paredzēta tikai izklaides nolūkiem, tādēļ, lai mērījuma rezultātiem varētu pilnībā uzticēties, ir jālieto sertificētas un pārbaudītas mēriekārtas.
4.att. Magnētiskā lauka mērīšana ar viedtālruni
Latvijas Universitātes Lāzeru centra pētnieki Eiropas projekta ietvaros izstrādāja augstas precizitātes magnetometra prototipu (5. att.), kas magnētisko lauku mēra, balstoties uz fizikālajām izmaiņām rubīdija tvaikos, ko izraisa magnētiskā lauka izmaiņas.
5.att. Latvijas Universitātes Lāzeru centrā veidota magnetometra prototips
Mūsdienās arvien aktualizējas magnētisko šķidrumu izmantošana (6. att.) Magnētiskais šķidrums ir šķidrums, kurā atrodas magnētiskas daļiņas, līdz ar to šķidrumā notiek fizikālas izmaiņas magnētiskā lauka ietekmē, piemēram, tas paliek viskozāks, maina ieņemto formu vai arī mainās tā optiskās īpašības, piemēram, gaismas caurlaidība. Magnētiskos šķidrumus mūsdienās lieto, piemēram, personālo datoru cieto disku hermetizēšanai, skaļruņu dzesēšanai vai siltuma pārneses elementos.
6.att. Magnētiskais šķidrums