Magneti i magnetno polje
- Objasniti šta je magnet i kako se magnetno djelovanje prenosi kroz prostor.
- Razlikovati istoimene i raznoimene polove i predvidjeti da li se tijela privlače ili odbijaju.
- Objasniti zašto se jednim presijecanjem ne može dobiti magnet samo s jednim polom.
- Pročitati linije magnetnog polja i odrediti smjer magnetne indukcije B u nekoj tački.
1. Šta je magnet i kako djeluje na daljinu?
Približi magnet ekseru od gvožđa i ekser će skočiti na magnet, iako ga niko ne dodiruje. Tijelo koje trajno privlači gvožđe, nikl i kobalt zovemo magnet. Postoje prirodni magneti (ruda magnetit) i vještački, napravljeni od tvrdog čelika ili od posebnih legura.
Kako magnet djeluje kroz prazan prostor? Zamišljamo da je prostor oko magneta ispunjen nevidljivim stanjem koje zovemo magnetno polje. Polje nije „ništa“: ono posreduje između magneta i gvožđa, jednako kao što električno polje posreduje između dva naelektrisanja. Magnet ne djeluje „na daljinu preko ničega“, nego preko svog polja.
Magnetno polje ne vidimo, ali ga otkrivamo posljedicama. Tri klasična načina su:
- Kompas — mala magnetna igla koja se u svakoj tački polja okreće u određenom smjeru.
- Gvozdena piljevina — sitna zrnca se ponašaju kao sićušne iglice i slažu se u prepoznatljive linije.
- Djelovanje sile — magnet privuče ekser ili drugi magnet, bez dodira.
2. Polovi magneta i njihovo međudjelovanje
Uzmi šipkasti magnet i uzmi ga za sredinu. Oba kraja privlače eksere, a sredina gotovo nikako. Krajeve na kojima je djelovanje najjače zovemo polovi magneta. Označavamo ih slovima N (od north, sjever) i S (od south, jug).
Dovedi dva magneta jedan drugom i osjetit ćeš dvije mogućnosti:
- Istoimeni polovi se odbijaju — N s N i S sa S. Magnet se sam odgurne.
- Raznoimeni polovi se privlače — N sa S. Magnet se sam primakne.
Slobodno obješen šipkasti magnet uvijek se zaustavi u približno istom položaju: jedan kraj prema geografskom sjeveru, drugi prema jugu. Zato su polovi i dobili imena. Upravo tako radi kompas: njegova igla je sitan magnet koji se okreće u polju Zemlje.
Može li se dobiti magnet samo sa jednim polom?
Ovo je jedno od najvažnijih pitanja u magnetizmu. Odgovor je: ne. Presijeci šipkasti magnet na dva dijela i nećeš dobiti jedan N-komad i jedan S-komad. Dobit ćeš dva nova magneta, a svaki od njih ima svoj N i svoj S pol. Presijeci ih ponovo — opet ćeš dobiti nove magnete, svaki s oba pola.
Razlog je u građi tvari. Atomi u magnetnom materijalu ponašaju se kao sićušni magneti — elementarni magneti. U nemagnetisanom gvožđu oni su orijentisani u svim smjerovima i međusobno se poništavaju. U magnetu su djelimično usmjereni, pa se njihovo djelovanje sabira. Koliko god komadić bio mali, u njemu ostaju elementi s oba pola.
Magnet se može i razmagnetisati: jakim udarcima, zagrijavanjem ili jakim naizmjeničnim poljem. Tada se elementarni magneti ponovo haotično orijentuju i vanjsko djelovanje nestane.
3. Linije polja i magnetna indukcija B
Da bismo polje opisali crtežom, koristimo linije magnetnog polja. One nisu stvarne niti su „žice“ u prostoru — to je dogovoreni način da prikažemo smjer i jačinu polja. Dogovor je sljedeći:
- Izvan magneta linije izlaze iz N pola i ulaze u S pol.
- Unutar magneta se zatvaraju od S ka N, pa je svaka linija zatvorena.
- Linije se nigdje ne sijeku, jer polje u jednoj tački ima samo jedan smjer.
- Gdje su linije gušće, polje je jače; gdje su rjeđe, polje je slabije.
Smjer polja u nekoj tački jednak je smjeru tangente na liniju polja u toj tački. Zato se N kraj magnetne igle kompasa postavlja tačno u smjeru polja.
Jačinu polja iskazujemo fizičkom veličinom koja se zove magnetna indukcija, oznaka B. Mjerna jedinica je tesla, oznaka T. Magnetna indukcija je vektorska veličina: ima iznos, pravac i smjer.
Ovaj oblik vrijedi za homogeno polje okomito na površinu. Ovdje je Φ magnetni fluks (o njemu detaljno u lekciji o elektromagnetnoj indukciji), a S površina koju polje prolazi. Jedinica tesla je velika: polje od 1 T je vrlo jako. Zato se u praksi često koriste manje jedinice: 1 mT = 10⁻³ T i 1 μT = 10⁻⁶ T.
| Gdje mjerimo | Približna magnetna indukcija |
|---|---|
| Zemljino magnetno polje na površini | ≈ 50 μT |
| Magnet na vratima frižidera (na površini) | ≈ 5 mT |
| Mali šipkasti magnet, na površini pola | 0,1 T do 0,5 T |
| Jak elektromagnet u otpadu (šrot) | ≈ 1 T do 2 T |
| Magnet u aparatu za snimanje (MRI) | 1,5 T do 3 T |
Iz tablice se vidi da je polje malog magneta hiljadama puta jače od polja Zemlje. Zato kompas pored magneta zaboravi na sjever i jug i okrene se u smjeru magneta — to i pokazuje simulacija ispod.
Polje Zemlje i kompas
Zemlja se ponaša kao ogroman magnet čija je osa nagnuta u odnosu na osu obrtanja. Geografski sjever Zemlje leži blizu magnetnog juga, pa se N kraj igle kompasa okreće prema geografskom sjeveru. Magnetno polje Zemlje štiti nas i od nabijenih čestica iz svemira, a njegov smjer je važan za navigaciju.
Treba imati na umu da magnetno polje Zemlje nije jako: iznosi oko 50 μT, pa ga običan gvozdeni predmet pored kompasa lako „prevari“.
4. Isprobaj: magnet, kompas i linije polja
Prevuci kompas po prostoru oko magneta i prati kako se igla okreće. Možeš ga odabrati tipkom Tab i pomjerati strelicama na tastaturi. Zatim pritisni dugme i „presijeci“ magnet na dva dijela — pogledaj šta se dogodilo s polovima i s linijama polja. Crtež je šematski; razmjer polja nije stvaran.
Jedan magnet: N pol je desno, S pol lijevo.
Dva magneta: šta pokazuje kompas između njih?
Predvidi → isprobaj → objasni. Lijevi magnet ostaje isti. Obrni desni magnet, pa uporedi polje tačno u sredini razmaka i iznad njega. Da li odbijanje magneta znači da polje nestaje svuda između njih?
Kako čitaš prikaz: polja se sabiraju kao vektori: B = B₁ + B₂. Tri male igle ispod prikazuju smjer doprinosa svakog magneta i ukupnog polja na izabranom mjestu. Sve strelice i igle imaju jednaku dužinu: pokazuju smjer, a ne jačinu. Zelene strelice uz magnete označavaju samo smjer sila privlačenja ili odbijanja; magnete držimo na mjestu.
Granice modela: dva jednaka magneta predstavljena su jednakim idealnim magnetnim dipolima u svojim središtima. To je približan model vanjskog polja, naročito dalje od magneta; ne prikazuje tačnu raspodjelu uz površinu niti unutrašnjost magneta. Dužine i razmak su u zajedničkom razmjeru (svaki magnet je dug 4 cm), ali jačina polja nije kalibrisana u teslama. Zanemarujemo Zemljino polje i uticaj kompasa. U stvarnom ogledu i slabo preostalo polje može usmjeriti iglu tamo gdje se doprinosi ova dva magneta poništavaju.
Električno i magnetno polje: šta je slično, a šta različito
I električno i magnetno polje su prostor u kojem djeluje sila. Zato ih opisujemo sličnim pojmovima: linijama polja, vektorskom jačinom polja i principom superpozicije. Razlike su u izvoru polja i u tome na koja tijela djeluju.
| Osobina | Električno polje | Magnetno polje |
|---|---|---|
| Izvor | električni naboj (miruje ili se kreće) | pokretni naboj, tj. struja, i trajni magneti |
| Linije polja | u elektrostatičkom polju počinju na pozitivnim i završavaju na negativnim nabojima ili se protežu u beskonačnost | uvijek su zatvorene; ne postoji izolovan magnetni pol |
| Sila na probni električni naboj koji miruje | F = q·E; za nenulti q i E sila nije nula | nema magnetne sile na taj mirujući naboj |
| Smjer sile | isti kao E za pozitivan naboj | okomita na B i na brzinu naboja |
| Mjerna jedinica | N/C (= V/m) | tesla (T) |
Na probni električni naboj koji miruje može djelovati električna sila, dok je magnetna sila na taj naboj nula. To ne znači da mirujući magnet ili željezni predmet ne može osjetiti magnetnu silu: njegova unutrašnja magnetna svojstva nisu isto što i jedan mirujući probni naboj.
Riješeno poređenje — korak po korak
Pozitivan probni naboj miruje u električnom polju usmjerenom udesno. Zatim isti naboj miruje u magnetnom polju. Šta možemo zaključiti o silama?
- Izaberi predmet modela: jedan električni naboj, a ne komad željeza ili trajni magnet.
- U električnom polju F = q·E: na pozitivan naboj djeluje sila udesno. Ako znak naboja promijeniš, sila mijenja smjer.
- U magnetnom polju na mirujući probni naboj nema magnetne sile. Samo prisustvo polja ne daje mu početno ubrzanje.
- Provjeri granicu: na naboj koji se kreće magnetna sila može djelovati; njen smjer zavisi i od smjera kretanja. Ponašanje trajnog magneta objašnjavamo njegovim magnetnim svojstvima.
Ogled i poređenje trajnog magneta i zavojnice
Za kontrolisani ogled ispitaj magnet i nekoliko predmeta od poznatih materijala, npr. željeza, aluminija i plastike. Prvo zapiši pretpostavku, pa privlačenje pri istom razmaku. Ne zaključuj da su svi metali jednako privučeni. S dva magneta uporedi iste i suprotne polove; odbijanje je jači dokaz da su oba predmeta magneti nego samo privlačenje. Linije polja istraži kompasom na više tačaka, ne samo na jednoj.
Šipkasti magnet i zavojnica sa strujom imaju spolja slično polje s N i S krajem. Linije su zatvorene; izvan idu od N ka S, a unutar se vraćaju. Zavojnicu možeš isključiti ili joj obrnuti polove promjenom struje. Trajni magnet ne traži stalno napajanje. U obje situacije model elementarnih magneta u tvari pomaže opisati magnetisanje; željezo u blizini može se magnetisati influencijom.
5. Korak po korak: od pojave do objašnjenja
Zadatak: „Kompas se nalazi pored šipkastog magneta, ali ne znamo gdje je koji pol. Kako ćemo to odrediti i kako ćemo objasniti šta se dogodi ako magnet presiječemo?“
Korak po korak: koje polje stvara neko tijelo i koja sila djeluje
Zadatak: „Nemagnetna kuglica, koju modelujemo kao probni naboj, ima naboj 2·10⁻⁹ C i miruje u blizini štapnog magneta koji takođe miruje. Koje polje postoji oko svakog od njih? Hoće li magnet djelovati silom na mirnu kuglu?“
6. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: preračunavanje i upoređivanje magnetne indukcije, te zaključivanje o polovima i smjeru polja. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: magnetna indukcija i jedinice
Primjer 1: militesle u tesle
Mali šipkasti magnet ima na površini pola magnetnu indukciju 250 mT (to je vrijednost iz tablice za šipkasti magnet, a ne za magnet na frižideru, koji je slabiji). Izrazi tu vrijednost u teslama.
Primjer 2: polje Zemlje u teslama
Magnetna indukcija Zemljinog polja iznosi približno 50 μT. Napiši tu vrijednost u teslama.
Primjer 3: koliko je magnet jači od Zemlje
Na površini šipkastog magneta izmjerena je magnetna indukcija 0,4 T. Koliko je puta to polje jače od Zemljinog polja od 5·10⁻⁵ T?
Tip 2: polovi, smjer i linije polja
Primjer 1: privlačenje ili odbijanje
Dva šipkasta magneta približavamo jedan drugom. Prema kompasu smo utvrdili da se približavaju S pol prvog i S pol drugog magneta. Šta će se dogoditi?
Primjer 2: presijecanje magneta
Šipkasti magnet s N polom desno i S polom lijevo presiječeš tačno po sredini. Koliko magneta imaš nakon toga i kakve polove ima svaki?
Primjer 3: gdje gleda igla kompasa
Kompas stoji desno od magneta, na produžetku njegove ose. N pol magneta je okrenut prema kompasu. U kojem smjeru gleda crveni (N) kraj igle kompasa i zašto?
- „Magnet ima samo jedan pol, drugi je suprotan naboj.“ Magnet ima dva magnetna pola i oni se ne mogu razdvojiti. Električni naboj i magnetni pol nisu isto.
- „Linije polja su stvarne niti u prostoru.“ Linije su dogovoreni crtež. Stvarno je polje, a linije samo pokazuju njegov smjer i jačinu.
- „Između dva magneta uvijek djeluje privlačenje.“ Zavisi od toga koji su polovi okrenuti jedan prema drugom: raznoimeni se privlače, istoimeni odbijaju.
- „Tesla je jedinica za silu.“ Tesla je jedinica magnetne indukcije B. Sila se mjeri u njutnima, a o sili na provodnik govorimo u sljedećim lekcijama.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Šta je magnetno polje?
2. Presiječeš šipkasti magnet na dva jednaka dijela. Šta dobiješ?
3. U kojoj je mjernoj jedinici magnetna indukcija B?
4. Kako se ponaša N kraj igle kompasa u vanjskom magnetnom polju?
7. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
Kompas prvo postavi daleko od magneta, da se igla smiri po polju Zemlje i pokaže sjever. Zatim jedan kraj magneta primakni kompasu: igla se otkloni i njen crveni (N) kraj pokaže u smjeru polja. Linije polja izlaze iz N pola, pa je onaj kraj magneta od kojeg crveni kraj igle gleda od magneta — N pol. Postupak ponovi za drugi magnet.
Ako približiš raznoimene polove (N i S), magneti se sami privuku. Ako približiš istoimene (N i N ili S i S), magneti se odbiju i moraš ih držati silom da bi ostali blizu. Nakon presijecanja svaki komad ima oba pola, jer su elementarni magneti u atomima nerazdvojivo vezani za materijal: na mjestu reza pojavljuju se novi polovi, a ne jedan izolovan pol.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju i prati kako se igla okreće dok kompas prelazi od jednog pola do drugog.
Provjeri rješenje i obrazloženje
(a) F = |q|·v·B = 3·10⁻⁹ · 4 · 0,2 = 2,4·10⁻⁹ N. Brzina je okomita na polje, pa je sin 90° = 1.
(b) F = 0, jer je v = 0. Magnetno polje ne djeluje na mirno naelektrisanje.
(c) F = |q|·E = 3·10⁻⁹ · 500 = 1,5·10⁻⁶ N. Električno polje djeluje i na mirnu kuglicu, što pokazuje razliku između dva polja.
Planiraj poređenje željeznog i aluminijskog predmeta uz isti magnet, te polja magneta i zavojnice. Šta održavaš stalnim, šta crtaš i koja promjena obrće N i S kraj zavojnice?
Provjeri zaključak
Održavaš razmak i način posmatranja, zabilježiš reakciju svakog materijala i smjer kompasa u više tačaka. Skiciraš zatvorene linije; promjena smjera struje obrće polove zavojnice. Privlačenje nekog predmeta samo ne dokazuje da on već ima vlastiti trajan magnetni pol.
Uporedi električno i magnetno polje: izvore, prikaz linijama, djelovanje na naboj koji miruje i mogućnost izdvajanja jednog pola. Objasni zašto to što kompas reaguje na magnet ne dokazuje da će magnet jednako privući svako naelektrisano tijelo.
Provjeri obrazloženje
Električno polje povezano je s nabojem i djeluje na električni naboj i kad miruje. Magnetno stvaraju struje i magneti; na električni naboj koji miruje ne daje magnetnu silu. Električne linije počinju na pozitivnim i završavaju na negativnim nabojima ili idu u beskonačnost; magnetne su zatvorene. Pozitivan/negativan naboj može biti izdvojen, a presijecanje magneta daje nove N–S parove. Kompas je magnetna igla, ne običan električni probni naboj.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: magneti i magnetno polje, magnetni polovi i njihovo međudjelovanje, linije magnetnog polja, magnetna indukcija i polje Zemlje.
Oblast D, magnetizam. Oznake ishoda u izvoru: D.9.3. Predmetni kurikulum KS, 9. razred, oblast D, štampana stranica 26. Raspored oblasti na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i aktivnosti su autorski.