Treść zadania

FIZYKA
Opisz budowę i działanie cyklonu.
CYKLOTRON to akcelerator cykliczny, który został zbudowany przez Lawrance’a w roku 1930. Na początku wyjaśnię, co to jest takiego ten akcelerator. Otóż jest to urządzenie służące do przyspieszania cząstek naładowanych, a więc nadawania im wartości energii kinetycznej. Do tego celu wykorzystuje się pola elektryczne i magnetyczne, z którymi oddziałują cząstki obdarzone ładunkiem. Podstawowym elementem cyklotronu są dwie elektrody, tzw. duanty. Tworzą one kondensator w formie wydrążonego walca, przeciętego wzdłuż . Cyklotron posiada również silny magnes, źródło jonów oraz generator zmiennego pola magnetycznego.
ZASADA DZIAŁANIA-do duantów doprowadza się zmienne napięcie o częstotliwości od kilku do kilkudziesięciu MHz. Okres przyłożonego do duantów napięcia powinien być równy okresowi obiegu cząstki po okręgu. Przy każdym przejściu przerwy między duantami cząstka uzyskuje pewną porcję energii. Maksymalny przyrost energii Osiąga cząstka wówczas, jeżeli przechodzi przez przerwy w momentach występowania maksymalnych wartości napięcia na duantach. Dlatego częstotliwość napięcia doprowadzonego do duantów musi być zsynchronizowana z okresem obiegu cząstek. Cząstka w ciągu każdego półokresu przechodzi przez szczelinę i zmienia równocześnie promień swojej orbity. Po osiągnięcie maksymalnego promienia przyspieszone cząstki są wyprowadzane na zewnątrz duantów za pomocą ujemnie naładowanej elektrody noszącej nazwy deflektora. Cyklotron opuszczający strumień cząstek jest kierowany na tarczę.
ZASTOSOWANIE-przy użyciu cyklotronu można uzyskiwać cząstki o ogromnych energiach, wykorzystywać je do badań naukowych, naukowych ostatnio także do niszczenia komórek nowotworowych.
Cyklotron składa się z elektromagnesu wytwarzającego pole magnetyczne i komory próżniowej, w której umieszczono dwie półkoliste elektrody zwane duantami. Między elektrodami wytwarzane jest za pomocą generatora wysokiej częstotliwości zmienne pole elektryczne. W centrum cyklotronu znajduje się źródło cząstek (cząsteczek) naładowanych elektrycznie lub cząsteczki te są wprowadzane z zewnątrz. Jeżeli częstotliwość generatora jest równa częstotliwości obiegu cząstek, to są one przyspieszane podczas przelotu między duantami. Cząstki o innym czasie przelotu są okresowo przyspieszane i hamowane i w końcu uderzają w duanty. Cząsteczki o większej energii poruszają się po większym promieniu. Gdy promień toru ruchu cząstki jest odpowiednio duży, może ona opuścić akcelerator; pomocna w tym może być dodatkowa elektroda kierująca cząstki w odpowiednią stronę
Częstotliwość cyklotronowa
Na cząstkę poruszającą się prostopadle do pola magnetycznego działa siła Lorentza prostopadła do wektorów prędkości i indukcji pola magnetycznego; siła ta pełni rolę siły dośrodkowej:

Gdzie m to masa cząstki, q jej ładunek, v prędkość, r to promień toru ruchu, B – indukcja pola magnetycznego.
Przekształcając,

v/r odpowiada prędkości kątowej ω, stąd częstość cyklotronowa:

Co odpowiada częstotliwości

Ze wzoru tego wynika, że częstotliwość rezonansowa nie jest zależna od prędkości cząstek, ale - przy stałym polu magnetycznym - zależy od stosunku ładunku do masy cząstki. Własność ta sprawia, że cyklotron przyspiesza tylko jeden rodzaj cząstek, co może być jego wadą, ale też zaletą. Cechę tę wykorzystuje się do separacji cząstek w analizatorach mas stosowanych w różnych spektrometrach masy.
Efekty relatywistyczne
Przyspieszając cząstki do prędkości porównywalnych z prędkością światła, napotyka się w cyklotronach problem relatywistycznego wzrostu masy przyspieszanej cząstki. Problem ten można rozwiązać, zmieniając częstotliwość prądu zasilającego duanty. Częstotliwość ta musi spełniać zależność:
,
gdzie fc jest częstotliwością w przybliżeniu klasycznym, T – energią kinetyczną cząstki, m0 – masą spoczynkową cząstki, c – prędkością światła.
Przy czym energia kinetyczna jest proporcjonalna do liczby przebiegów przyspieszanych cząstek między elektrodami – oznacza to, że jest proporcjonalna do czasu przyspieszania cząstek. Cyklotron przystosowany do odpowiedniej zmiany częstotliwości w miarę przyspieszania cząstek nosi nazwę synchrocyklotronu. Innym urządzeniem jest synchrotron, w którym wzrost masy cząstki kompensuje się, zwiększając natężenie pola magnetycznego. Modyfikacją w budowie cyklotronów są cyklotrony izochroniczne, w których efekty relatywistyczne są niwelowane przez modyfikację budowy elektromagnesu tak, by pole magnetyczne było tym silniejsze, im dalej od środka akceleratora.
Promieniowanie cyklotronowe
Cząstka naładowana, poruszając się w polu magnetycznym, wysyła promieniowanie zwane promieniowaniem cyklotronowym. Jego moc rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu prędkości przyspieszanych cząstek, co powoduje zmniejszenie ich energii. Moc tę wyraża wzór

gdzie
σ – całkowity przekrój czynny Thompsona,
B – indukcja magnetyczna,
μ0 – przenikalność magnetyczna próżni,
c – prędkość światła,
v – składowa prędkości prostopadła do wektora B.
Zasada działania oraz budowa cyklotronu:
W cyklotronie cząstka przechodząc przez przerwę między duantami jest przyspieszana za każdym razem i dzięki temu ma coraz większą energię. Siłę, która działa na cząstkę o ładunku "q" ze strony pola magnetycznego określa wzór:
(wzór 2)
gdzie:
q - łądunek;
- prędkość ładunku;
- natężenie pola elektrycznego;
- indukcja pola magnetycznego;
czyli po porstu wzór na siłę Lorentza. Na schemacie poniżej (Rys.1) można zobaczyć miejsca, w których następuje przyspieszenie:

Ruch cząstki w cyklotronie z wyodrębnionymi miejscami, w których następuje przyspieszenie.
Na rysunku widzimy jak jony, które są wprowadzane w środkowej części zakrzywiane w polu magnetycznym. Następnie dostają przyspieszenia w przerwie między duantami. Przyspieszenie to następuje dzięki temu, że znajduje się tam pole elektrostatyczne wytwarzane przez generator. Na wykresie obok schematu wyodrębnione są momenty w których następuje przyspieszenie.

W myśl drugiego prawa Newtona, siła ta będzie równa iloczynowi masy cząstki "m" przez przyspieszenie dośrodkowe:
(wzór 3)
Porównując wyrażenia na siłe (wzór 2 oraz wzór 3) otrzymuje się wzór na promień toru cząstki w polu magnetycznym:
(wzór 4)
gdzie:
r - promień toru cząstki;
m - masa cząstki;
Jeżeli masa cząstki jest stała, to czas obiegu nie zależy od prędkości cząstki, a więc nie zależy od jej energii. Fakt ten stanowi podstawę działania cyklotronu a wielkość, taką nazywamy częstością cyklotronową obiegu cząstki i wynosi ona:
(wzór 5)

Budowa cyklotronu.
A - bieguny magnesu;
B - elektrody, do których przylozone jest wysokie, zmienne napiecie, zwane duantami;
C - zródlo jonów;
D - generator zmiennego napiecia;
Cyklotron zbudowany jest z dwu miedzianych puszek-elektrod w kształcie litery D (czyli duantów, które umieszczone są w komorze próżniowej. Jak już było wcześniej wspomniane znajdują się one oczywiście w stałym polu magnetycznym między biegunami magnesu.
Do duantów doprowadzane jest zmienne napięcie z generatora wielkiej częstości. Na osi całego układu znajduje się źródło jonów. Na naładowaną cząstkę po wyjściu ze źródła, działa pole elektryczne, wytworzone w szczelinie między duantami, oraz pole magnetyczne zmuszające cząstkę do poruszania się po torze kołowym, co było już wspomniane wcześniej. Jeżeli w chwili początkowej lewy duant jest ujemny, to jon dodatni dozna krótkotrwałego przyspieszenia i po zakreśleniu półkola pojawi się znów w szczelinie między duantami. Jeśli w tym czasie biegunowość duantów się zmieni, to lewy duant będzie miał potencjał dodatni, a prawy - ujemny. Na odcinku między duantami cząstka więc znów będzie przyspieszała. W duancie prawym cząstka znów zakręci półkole, po czym, jeśli znów polaryzacja duantów ulegnie zmianie, to cząstka znów zostanie przyspieszona w szczelinie. W ten sposób dzięki temu, że okres zmian napięć generatora jest równy okresowi obiegu cząstki, to będzie ona zwiększać swój promień (opisany wcześniej). Cały tor cząstki zatem będzie zbliżony do spirali. Gdy promień cząstki odpowiednio wzrośnie, to specjalna elektroda odchylająca wyprowadzi cząstkę poza duant w kierunku tarczy, gdzie cząstka może być użyta na wile różnych sposobów np.:
- wywołać reakcję jądrową;
- służyć do terapii medycznych;
- do badań materiałowych;
- różnego rodzaju procesów technologicznych.
Budowy cyklotronów mogą być różne. Warto jest zobaczyć stronę Laboratorium GANIL z której to zaczerpnęliśmy wiedzy na temat budowy cyklotronu.
Innym ciekawym linkiem jest strona Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego .
Na czym polega zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne?
Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego ujawnia się między innymi, w zjawisku fotoelektrycznym, które znajduje szerokie zastosowanie w wielu urządzeniach elektronicznych. Polega ono na wybijaniu elektronów z metalu przez fotony promieniowania elektromagnetycznego. Jeśli metalowa płytka, na którą pada światło jest częścią obwodu elektrycznego (katodą), to uwolnione przez światło elektrony mogą brać udział w przewodzeniu prądu.

Układ elektryczny sterowny światłem może wyłączyć na przykład latarnie uliczne, gdy zaczyna się dzień, i włączyć je po zmroku.



















Zjawisko fotoelektryczne charakteryzuje się tym, że:
1. Każdy foton o dostatecznie dużej energii Ef = h • f wybija z metalu jeden elektron.
2. Liczba wybitych z katody elektronów jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania. Wnioskujemy stąd, że natężenie promieniowania zależy od ilości fotonów w strumieniu tego promieniowania.
3. Foton, który odda elektronowi całą energię, przestaje istnieć. Praca wyjścia Elektrony wychodząc na powierzchnię metalu muszą pokonać siły, które wiążą je z metalem. Przeciwko tym siłom muszą wykonać pracę, którą nazywamy pracą wyjścia i oznaczamy literą W.
Do wykonania pracy wyjścia elektrony potrzebują dostatecznie dużej energii. Jeśli fotony światła padającego na metal mają energię równą co najmniej pracy wyjścia, to zachodzi zjawisko fotoelektryczne. Wartość pracy wyjścia zależy od rodzaju metalu i stanu jego powierzchni. Przykładowo światło widzialne nie jest w stanie wybić elektronów z płytki cynkowej, lecz jest to możliwe, gdy pada na nią promieniowanie ultrafioletowe, gdyż fotony światła ultrafioletowego mają większą energię niż fotony światła widzialnego.

Równanie Einsteina
Jeśli energia padającego na metal fotonu jest większa od pracy wyjścia, to elektron może dodatkowo uzyskać energię kinetyczną. Bilans energii fotonu oddziałującego z elektronem, całkowicie zgodny z doświadczeniem, podał Einstein w postaci wzoru:





czyli





Za wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego Albert Einstein otrzymał nagrodę Nobla.

Barbara Zegrodnik, Michał Zegrodnik
Seria wydawnicza SMS - "Fizyka"

Opisz budowę, działanie i zastosowanie transformatorów.
Podstawowymi elementami każdego transformatora są jego uzwojenia i rdzeń. Rdzeń jest wykonany w postaci pakietu izolowanych od siebie pasków specjalnej blachy (blachy krzemowej) o grubości 0,35 mm. Składanie rdzenia z oddzielonych blach, ich wzajemne izolowanie i zastosowanie specjalnego składu chemicznego stali ma na celu zmniejszenia występujących w rdzeniu strat na histerezę i prądy wirowe.
Do wykonania uzwojenia używa się izolowanych przewodów miedzianych, rzadziej aluminiowych, przekroju okrągłym lub prostokątnym. Uzwojenia, najczęściej w kształcie cylindrów, nakłada się na kolumny w taki sposób, ze na jednej kolumnie znajdują się obydwa uzwojenia, przy czym cylinder uzwojenia niższego napięcia ma mniejszą średnicę i obejmuje bezpośrednio kolumnę, zaś cylinder uzwojenia wyższego napięcia o większej średnicy jest nakładany na cylinder niższego napięcia. Transformatory jednofazowe, w swej najprostszej postaci mają obydwa uzwojenia nałożone na jedną kolumnę rdzenia.
Większe transformatory buduje się zazwyczaj jako transformatory rdzeniowe lub płaszczyznowe. W transformatorach jednofazowych rdzeniowych jarzma rdzenia, czyli jego poziome elementy, łącza ze sobą dwie kolumny, na których umieszczone są połowy obu uzwojeń. W transformatorach jednofazowych płaszczyznowych jarzma łączą trzy kolumny, a uzwojenia umieszczone są na kolumnie środkowej.
Zasada działania:
Transformatory to urządzenia elektryczne, w których energia elektryczna prądu przemiennego jednego napięcia (U1) jest transformowana na energię elektryczną innego napięcia (U2). Zasada działania transformatora jednofazowego jest oparta na zjawisku elektromagnetycznego oddziaływania zwojnic sprzężonych ze sobą magnetycznie.
Aby sprzężenie było duże, zwojnice umieszcza się na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym tworzącym zamknięty obwód magnetyczny. Obie zwojnice nawinięte na pionowe części rdzenia zwane kolumnami tworzą uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne transformatora.
c) zastosowanie transformatora
Transformatory stosuje się zarówno do przetwarzania prądu jednofazowego, jak i trój fazowego. Stąd też rozróżnia się transformatory jednofazowe i trójfazowe.
Transformatory energetyczne wykorzystuje się przy przesyłaniu energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym.
Regulację napięcia uzyskuje się przez zmianę przekładni, na ogół przez zmianę liczby zwojów górnego napięcia zg ( zmiana liczby zwojów zg pozwala uzyskać dokładność większą a niżeli zmiana liczby zwojów dolnego napięcia zd , ponieważ zg>zd). Każde uzwojenie fazowe górnego napięcia ma wyprowadzone zazwyczaj trzy zaczepy(zaczep 0, zaczep 5%, zaczep -5%).
DIODY
Diodą półprzewodnikową nazywa się element, w którym wykorzystuje się zjawisko fizyczne występujące w złączach p-n. Złącze p-n tworzy się dzięki wypełnieniu jednej części kryształu, np. germanu lub krzemu, lub domieszkami, które dają elektrony swobodne, zaś drugiej części tego kryształu z domieszkami dającymi nadmiar dziur.
W złączu p-n w miejscu zmiany typu przewodnictwa półprzewodnika (tj. na styku obszarów p i n) istnieje wewnętrzne pole elektryczne, skierowane w taki sposób, że zapobiega dyfuzji elektronów z obszaru n (gdzie jest ich dużo) do obszaru p (gdzie jest ich mało) oraz dziur z obszaru p do obszaru n.
To wewnętrzne pole elektryczne, zwane barierą potencjału, wytwarzają zgromadzone po obu stronach granicy warstw, ładunki elektryczne o przeciwnym znaku do nośników większościowych warstwy. Tak wiec po stronie warstwy p są zgromadzone ładunki ujemne, zaś po stronie warstwy n ładunki dodatnie. Uproszczony mechanizm fizyczny zjawisk prowadzących do powstawania bariery potencjału w złączu p-n przy braku napięcia zewnętrznego jest następujący. Duża koncentracja nośników, zarówno większościowych jak i mniejszościowych, występująca na granicy warstw powoduje silną dyfuzję nośników w obu kierunkach. Dziury z warstwy p przedostają się do warstwy n i zanikają wskutek rekombinacji pozostawiając w warstwie p jony u ujemnym ładunku przy liczbie dziur niewystarczającej do neutralizacji pola.
Gdy do złącza p doprowadzi się za pomocą dwóch elektrod przyłożonych do warstwy p i n półprzewodnika napięcie źródła którego, biegun dodatni zostaje połączony z elektrodą warstwy p (elektrodą p), a ujemny z elektrodą warstwy n (elektrodą n), wówczas bariera potencjału ulegnie obniżeniu. Umożliwi to dyfuzje elektronów z obszaru n do obszaru p. taką polaryzacje zewnętrzną nazywa się kierunkiem przewodzenia. Przy przeciwnym do opisanego połączenia złącza p-n ze źródłem napięcia, bariera potencjału zwiększy się. Płynie wtedy niewielki prąd w kierunku przeciwnym taką polaryzację nazywamy kierunkiem zaporowym.
Rodzaje diod:
Podstawowym elementem składowym każdej diody jest złącze P-N. Przewodzi ono prąd w jednym kierunku i nie przewodzi w drugim. W rezultacie nadaje się doskonale do prostowania prądu zmiennego, co też jest jego najczęstszym zastosowaniem. Do innych celów stosuje się wiele diod różniących się odpowiednim doborem parametrów złącza p-n.
Dioda krzemowa występuje dzisiaj najczęściej. Diody przeznaczone do pracy przy małych prądach mają napięcie progowe (spadek napięcia w kierunku przewodzenia) ok. 0,7 V, podczas gdy diody mocy mają napięcie progowe 1V lub więcej. Gdy napięcie zaporowe ("odwrotne") przekroczy wartość katalogową, dioda ulega zniszczeniu.


Budowa
Transformator zbudowany jest z dwóch lub więcej cewek (zwanych uzwojeniami), nawiniętych na wspólny rdzeń magnetyczny wykonany zazwyczaj z materiału ferromagnetycznego. Oba obwody są zazwyczaj odseparowane galwanicznie, co oznacza, że nie ma połączenia elektrycznego pomiędzy uzwojeniami, a energia przekazywana jest przez pole magnetyczne. Wyjątkiem jest autotransformator, w którym uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne posiadają część wspólną i są ze sobą połączone galwanicznie.
Zasada działania
Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego. Powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora, przepływa przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi). Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej – powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna (napięcie). Jeżeli pominie się opór uzwojeń oraz pojemności między zwojami uzwojeń i przyjmie się, że cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika przez rdzeń do uzwojenia wtórnego (nie ma strat pola magnetycznego na promieniowanie), to taki transformator nazywamy idealnym. Dla transformatora idealnego obowiązuje wzór:

gdzie:
U – napięcie elektryczne,
I – natężenie prądu elektrycznego,
n – liczba zwojów,
indeks we – strona pierwotna (stosuje się również indeks – 1),
indeks wy – strona wtórna (stosuje się również indeks – 2).
Zależność pomiędzy natężeniami i napięciami wynika z wyżej opisanych zależności i z zasady zachowania energii. W tym przypadku sprowadza się to do równości mocy wejściowej i wyjściowej:


Poniższy stosunek:

nazywamy przekładnią transformatora.
Jeżeli liczba zwojów uzwojenia wtórnego jest mniejsza od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, to indukowane napięcie jest niższe od napięcia pierwotnego, taki transformator nazywa się obniżającym napięcie. Jeżeli liczba zwojów po stronie uzwojenia wtórnego jest większa od liczby zwojów po stronie uzwojenia pierwotnego, to napięcie wtórne jest wyższe od pierwotnego, a taki transformator nazywa się transformatorem podwyższającym napięcie.
Straty mocy w transformatorze
Podczas pracy transformatora rzeczywistego, czyli podczas przenoszenia energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego, tracona jest część mocy. Ma to miejsce w rdzeniu transformatora (tzw. straty w żelazie, wynikające z nagrzewania się rdzenia i zużywania mocy na magnesowanie rdzenia) oraz w uzwojeniu (tzw. straty w miedzi, wynikają z oporności materiału, z którego wykonane jest uzwojenie wtórne). Stosunek mocy po stronie wtórnej do mocy pobieranej przez transformator określa sprawność transformatora.
Zastosowanie szkła metalicznego do budowy rdzenia transformatora pozwala kilkukrotnie zmniejszyć zachodzące tam straty gdyż w rdzeniu amorficznym nie zachodzą straty ciepła. Transformatory amorficzne (o miękkim rdzeniu wykonanym ze szkła metalicznego) są jednak dwu-, trzy-, a nawet czterokrotnie droższe od zwykłych transformatorów. Ze względu na wysoką cenę nie ma na nie popytu na rynku krajowym. Natomiast są kupowane np. w USA czy w Niemczech.
W transformatorach dużych mocy poważną rolę odgrywają również straty w metalowych częściach konstrukcyjnych, jak ścianki, pokrywa i dno kadzi, belki jarzmowe, konstrukcje pracujące uzwojenia, itp. W praktyce stosuje się różne sposoby zmniejszania tych strat, np. wykonuje się niektóre części transformatora z materiałów niemagnetycznych, na wewnętrznych ścianach kadzi instaluje się ekrany magnetyczne, niekiedy całe kadzie wykonuje się ze stopów aluminium.
Rodzaje
Istnieją też transformatory, w których jedno uzwojenie jest częścią drugiego (autotransformatory), o większej liczbie uzwojeń oraz o wielu wyprowadzeniach z tego samego uzwojenia.

Transformator energetyczny średniego napięcia – przekrój


Transformator energetyczny wysokiego napięcia na stacji energetycznej

Uzwojeń może być kilka, często spotyka się transformatory o np. dwóch dolnych napięciach lub trzech różnych.
W systemach prądu wielofazowego (np. trójfazowego) stosuje się transformatory wielofazowe (trójfazowe). W transformatorach takich rdzenie poszczególnych faz mogą mieć części wspólne. Nie jest to jednak warunek konieczny, ponieważ np. w sieciach wysokiego napięcia stosuje się transformatory jednofazowe (po jednym na każdą fazę).
Transformatory elektroenergetyczne dla niskich napięć izolowane są powietrzem, dla wyższych stosuje się olej transformatorowy, pełniący równocześnie funkcje chłodzące. Dodatkowo, transformatory dużej mocy wyposażone są w radiatory lub chłodnice oraz wentylatory jak również w rozbudowane systemy zabezpieczeń.
W żargonie technicznym lub języku potocznym nazwa transformator jest czasem zastępowana niepoprawną, skrótową nazwą trafo.
Na czym polega ferromagnetyzm, paramagnetyzm, diamagnetyzm niektórych substancji?
Na wartość indukcji magnetycznej ma wpływ materiał, który wypełnia wnętrze cewki (zwojnicy), jak również przewodnik (o dowolnym kształcie). Jego funkcja jest niemal analogiczna do funkcji jaką spełniają dielektryki w polu elektrycznym. Materiał magnetyczny może wzmacniać jak i osłabiać pole magnetyczne przewodnika (dielektryki nie posiadają takiej właściwości). W tej kategorii materiały te podzielić można na trzy różne typy. Pierwszym z nich są ferromagnetyki, które znacznie zwiększają wartość indukcji. Drugim typem są paramagnetyki, słabo zwiększające tę wartość. Trzeci rodzaj to diamagnetyki, których właściwości pozwalają na zmniejszenie indukcji magnetycznej. Jednym ze sposobów na odróżnienie tych materiałów jest wykonanie z niego cienkiego pręcika i zawieszenie pomiędzy nabiegunnikami elektromagnesu o silnym oddziaływaniu. W tej sytuacji pręcik wykonany z ferromagnetyku bądź paramagnetyku będzie się ustawiał równolegle do linii pola, natomiast pręcik diamagnetyczny prostopadle. Najbardziej przydatnym technicznie materiałem są ferromagnetyki (głównie żelazo i żelazostopy), znajdujące zastosowanie m.in. magnesy stałe, taśmy magnetofonowe, rdzenie elektromagnesów czy dyskietki.
Przenikalność magnetyczna (m) jest to wielkość określającą zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany wektora indukcji magnetycznej pod wpływem wektora natężenia pola magnetycznego. Wyraża stosunek indukcji magnetycznej w cewce zapełnionej konkretną substancją do indukcji magnetycznej w cewce próżniowej (przy zachowaniu tego samego natężenia prądu). Dla diamagnetyków względna przenikalność magnetyczna jest mniejsza od jedynki (zazwyczaj jest to różnica rzędu 10^(-6)- 10^(-5)). Paramagnetyki przyjmują tę wartość nieznacznie większą od jeden (o 4- 6 rzędy wielkości), podczas gdy dla ferromagnetyków wartość ta jest o wiele większa (sięga nawet kilkudziesięciu tysięcy). Dla materiałów diamagnetycznych i paramagnetycznych, wartość natężenia pola magnetycznego [H] jest proporcjonalna do indukcji pola magnetycznego , a współczynnik proporcjonalności wyrażony jest przez μ. Natężenie jest wielkością wektorową, charakteryzuje pole sił w danym punkcie w przestrzeni, równa jest sile działającej na dodatni jednostkowy biegun magnetyczny. Wartość ta nie zależy od właściwości magnetycznych środowiska. Jednostką natężenia pola magnetycznego [H] jest amper przez metr lub też iloczyn natężenia prądu w cewce z liczbą zwojów przez długość pola magnetycznego (dł. zwojów).
Podatność magnetyczna to współczynniki proporcjonalności w równaniu określającym wielkość namagnesowania jako funkcję natężenia pola magnetycznego
M = χ*H
gdzie:
M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji)
χ - objętościowa podatność magnetyczna
H - natężenie pola magnetycznego
W zależności od właściwości substancji jej podatność magnetyczna zmienia się następująco:
χ < 0 - diamagnetyk, pole magnetyczne jest "wypychane" z takiego ciała (gęstość strumienia pola magnetycznego w porównaniu z próżnią maleje)
χ = 0 - brak podatności, np. dla próżni
χ > 0 - paramagnetyk, pole magnetyczne jest "wciągane" do takiego ciała (gęstość strumienia pola magnetycznego w porównaniu z próżnią rośnie)
χ >> 0 - ferromagnetyk
Dla paramagnetyków i diamagnetyków względna podatność magnetyczna wynosi χ = m -1. Wielkość χ jest wyznaczana eksperymentalnie z pomiarów siły ciężkości działającej na daną substancję, która jest umieszczona w silnym polu magnetycznym. Kolejną wielkością również mierzoną na drodze eksperymentu, jest ciężar próbki DQpr w polu magnetycznym i bez pola. Podatność magnetyczna χg w stosunku do 1 gram substancji
,
gdzie:
χwz - podatność magnetyczna wzorca
ΔQpr - różnica pomiędzy ciężarem próbki w polu magnetycznym i bez pola
ΔQwz - różnica pomiędzy ciężarem próbki w polu magnetycznym i bez pola
mpr - masa próbki
mwz - masa wzorca
(wzorcem najczęściej jest roztwór chlorku niklu, którego podatność gramowa jest dokładnie znana)
Dla materiałów ferromagnetycznych, wartość natężenia [H] nie jest wprost proporcjonalna do wartości indukcji magnetycznej . Dlatego pełne zbadanie roli ośrodka nie jest możliwe za pomocą jednej stałej m. W tym wypadku niezbędne jest przebadanie szeregu zmian indukcji magnetycznej w ośrodku w trzech przypadkach: gdy pole zewnętrzne- przykładowo pochodzące od cewki/zwojnicy- rośnie w sposób cykliczny, maleje oraz przy jego zmianie kierunku. Zjawisko to ilustruje wykres poniżej (na osi rzędnych odłożono indukcję pola zewnętrznego B0 natomiast na osi odciętych indukcję całkowitą ).

Mamy tu do czynienia ze zjawiskiem histerezy. Jest to zależność aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Innymi słowy to opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Histerezę odkrył i opisał w roku 1890 James Alfred Ewing. Najbardziej znane przypadki tego zjawiska występują w materiałach magnetycznych i ferromagnetycznych, w których przemagnesowanie następuje dopiero po pewnym okresie działania zewnętrznego pola magnetycznego. W graficznej interpretacji zjawisko to jest przedstawiane jako pętla (w przypadku dwóch niezależnych od siebie wielkości). W przypadku braku histerezy wykres linią prostą. W tym przypadku dla danej B0 indukcja B jest mniejsza w fazie wzrostu pola w stosunku do wartości w fazie jego spadku. Jest to spowodowane tym, że zmiany namagnesowania ośrodka zachodzą z opóźnieniem, ze względu na pewnego rodzaju opory. Gdy wykres przedstawia "cienką" pętlę histerezy, oznacza to, że straty energii przy przemagnesowaniu są niewielkie. Ferromagnetyki o takich właściwościach to ferromagnetyki miękkie, wykorzystywane głownie do produkcji rdzenia transformatorów. Z kolei magnetyzację ferromagnetyków twardych trudniej jest zmienić, co ilustruje wykres ( pętla "szeroka").
Wszelkie zjawiska magnetyczne w materii tłumaczone są jako efekt wzajemnych oddziaływań elektronów z polem magnetycznym. Ze względu na dipolowy charakter atomów materiałów paramagnetycznych i ferromagnetycznych, można je wyrazić jako prądy cząsteczkowe, które krążą w miniaturowych pętlach. W substancjach paramagnetycznych dipole te są zorientowane bezładnie, ale ulegają częściowej polaryzacji (czyli uporządkowaniu) na wskutek działania zewnętrznego pola magnetycznego. Jednak w przypadku wyłączenia zewnętrznego pola, następuje chaotyczny ruch cieplny tych atomów, tym samym uporządkowanie znika. W substancjach ferromagnetycznych mamy do czynienia z dość silnym oddziaływaniem, które jest efektem kwantowym (specyficznym efektem związanym z mechanika kwantową, zjawiska te zachodzą w mikroskali), a wynika z faktu, że cząstka elementarna, jaką jest elektron, ma swój własny moment pędu zwany też spinem. Oddziaływanie to zachodzi między sąsiednimi dipolami, polaryzując je tak, że cały obszar zostaje podzielony na domeny- strefy z dipolami zgodnie zorientowanymi- takie bardzo małe magnesy. Jednolite namagnesowanie całej bryły, jaką jest ferromagnetyk, jest znacznie utrudnione poprzez ograniczony wzrost domen, które jest wynikiem oddziaływania magnetycznego pomiędzy domenami- tym samym sprzyja ich ustawianiu się przeciwnie- biegun N przyciąga biegun S. Gdy pole zewnętrzne jest odpowiednio silne, domeny (te zorientowanie zgodnie z polem) rosną w swych rozmiarach (kosztem pozostałych). Oprócz tego, w niektórych domenach może mieć miejsce zamiana namagnesowania. Zmianie pola towarzyszą opory.
W przypadku ogrzania ferromagnetyka do temperatury krytycznej- temperatury Curie, przechodzi w stan paramagnetyczny (zrywa się sprzężenie sąsiadujących ze sobą dipoli). Następuje gwałtowna utrata właściwości magnetycznych i substancja staje się paramagnetykiem. Zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego. W przypadku, gdy temperatura jest niższa od temperatury Curie, dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiają są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku, tworząc domeny ferromagnetyczne. Natomiast gdy temperatura przewyższa temperaturę Curie, drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, w skutek czego dipole wykonują drgania.
Zewnętrzne pole magnetyczne wywołuje zakłócenia w ruchu elektronów wokół jądra co powoduje zjawisko zwane diamagnetyzmem. Polega ono na indukowaniu się w ciele (które znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym) pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Indukuje ono wtedy prąd elektryczny, powodujący wytworzenie się pola magnetycznego o zwrocie przeciwnym do pola zewnętrznego. Zatem, jeżeli umieścimy diamagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym, powstanie w nim [diamagnetyku] pole magnetyczne skierowane przeciwnie. Jest to powszechna cecha materii, skutecznie maskowana przez silniejszy w tym wypadku paramagnetyzm czy ferromagnetyzm.
W tabeli zestawiono podatność magnetyczną χ dla wybranych paramagnetyków i diamagnetyków (μ=1+χ), a także oraz temperaturę Curie TC dla niektórych substancji ferromagnetycznych:



PARAMAGNETYKI DIAMAGNETYKI FERROMAGNETYKI
Nazwa χ
[10-6 cm3/mol] Nazwa χ
[10-6 cm3/mol] Nazwa Temp. Curie
[C0]
Lit 14,2 Wodór -4,00 Żelazo 770
Sód 16,1 Miedź -5,46 Kobalt 1121
Potas 20,8 Złoto -28,0 Nikiel 357
Wapń 40 Srebro -20 Gadolin 20,2
Magnez 12,6 Kadm -19,7
Mangan 489 Rtęć -33,5
Wolfram 57 Węgiel -5,89
Chrom 182 Fosfor -26,7
Aluminium 16,5 Hel -1,884
Platyna 190 Azot -12
Powietrze 360 Woda -9

Wymień wszystkie znane ci rodzaje fal elektromagnetycznych i uporządkuj je według malejącej długości.
Fale radiowe długie i krótkie.
Fale podczerwone.
Światło widzialne.
Fale ultrafioletowe
Promienie X(rentgenowskie)
Promienie Y (gama)
Przyśpieszenie na księżycu jest 6 razy mniejsze niż na Ziemi. Ile wynosi tam okres drgań wahadła, które na Ziemi ma okres Tz=2s?





Mamy dwie identyczne grzałki. Jak należy je podłączyć szeregowo czy równolegle, aby możliwie szybko zagrzać pewną ilość wody?