Co wytwarza pole magnetyczne? Źródła i przykłady

Spotykasz się z polem magnetycznym codziennie, choć zwykle o tym nie myślisz. W tym tekście zobaczysz, co dokładnie je wytwarza i gdzie je najszybciej zauważysz. Dowiesz się też, jak wygląda ono od strony fizyki i liczb.

Czym jest pole magnetyczne i jak na nas działa?

Fizyk powiedziałby, że pole magnetyczne to stan przestrzeni, w którym na poruszające się ładunki elektryczne działa siła. Tą siłę nazywamy siłą Lorentza i to właśnie ona zakrzywia tor elektronów w przewodniku, ustawia igłę kompasu czy zmusza wiązkę elektronów w lampie kineskopowej do skrętu. W codziennym języku mówimy prościej: jest to obszar, gdzie działa oddziaływanie magnetyczne na magnesy, prądy i materiały magnetyczne.

Matematycznie pole opisują dwie wielkości: indukcja magnetyczna B oraz natężenie pola H. Indukcja B mierzona jest w teslach i to ona zwykle pojawia się w danych technicznych magnesów, elektromagnesów czy tomografu MRI. Z kolei natężenie H (amper na metr) silniej wiąże się z tym, ile prądu trzeba dostarczyć, by takie pole wytworzyć. Między B i H zachodzi prosty związek B = μH, gdzie μ – przenikalność magnetyczna ośrodka – mówi, jak materiały wzmacniają lub osłabiają pole.

W próżni i w powietrzu przenikalność magnetyczna ma prawie tę samą wartość, za to w ferromagnetykach – jak żelazo – jest wielokrotnie większa, dlatego tak dobrze „przewodzą” strumień magnetyczny.

Warto zwrócić uwagę na jeszcze jedną cechę: linie pola magnetycznego są zamknięte. Prawo Gaussa dla magnetyzmu mówi, że całkowity strumień pola magnetycznego przez zamkniętą powierzchnię wynosi zero. Oznacza to, że linie nie zaczynają się na „ładunkach magnetycznych” i nie kończą na nich, tylko tworzą pętle. Dlatego nie obserwuje się pojedynczych biegunów N ani S – zawsze występują parami.

Jak prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne?

Odkrycie Hansa Christiana Oersteda z 1820 roku, że przewód z prądem odchyla igłę kompasu, zmieniło fizykę na zawsze. Dziś wiemy, że każdy poruszający się ładunek elektryczny generuje pole magnetyczne, a przepływ prądu w przewodniku jest zbiorem takich poruszających się ładunków. Wokół prostego, długiego przewodnika powstaje pole magnetyczne kołowe – linie pola tworzą współśrodkowe okręgi, a indukcja B maleje wraz z odległością od przewodu.

To, jak silne pole powstanie wokół prądu, opisują prawo Biota-Savarta i prawo Ampère’a. W uogólnionej wersji Maxwell włączył je do swoich równań, które łączą ze sobą pola elektryczne i magnetyczne. Z tych praw wynika kilka prostych faktów: im większe natężenie prądu, tym większa indukcja magnetyczna i im bliżej przewodu, tym pole jest silniejsze. Kierunek pola można przewidzieć za pomocą reguły prawej dłoni – kciuk wskazuje kierunek prądu, a zgięte palce kierunek linii pola.

Czy zmienne pole elektryczne też tworzy magnetyczne?

James Clerk Maxwell pokazał, że nie tylko prąd przewodzenia w drucie wytwarza pole magnetyczne. Robi to również zmienne w czasie pole elektryczne. Jeśli natężenie pola E zmienia się, pojawia się składowa prądu przesunięcia, która działa tak, jakby w przestrzeni płynął prąd. W efekcie powstaje zmienne pole magnetyczne.

To wzajemne przenikanie pól jest sercem fal elektromagnetycznych. Zmienne pole elektryczne rodzi pole magnetyczne, a to z kolei indukuje pole elektryczne – fala rozchodzi się w przestrzeni bez potrzeby istnienia przewodnika. Światło widzialne, fale radiowe, mikrofale czy promieniowanie 5G to tylko różne zakresy częstotliwości tego samego zjawiska.

Jak mocne jest pole magnetyczne wokół nas?

Ziemia sama jest ogromnym magnesem. Średnia indukcja ziemskiego pola magnetycznego wynosi około 40 µT. Na tym tle można porównywać inne źródła. W domu mamy mnóstwo przewodów, przez które płynie prąd o częstotliwości 50 Hz. Urządzenia takie jak płyta grzejna, świetlówki czy zasilacze wytwarzają pola o częstotliwościach od dziesiątek herców do kilkudziesięciu kiloherców, ale zwykle o natężeniach porównywalnych lub mniejszych niż tło środowiskowe.

Dobrym przykładem jest płyta grzejna. Płyta ceramiczna generuje pole w paśmie ELF, około 50 Hz, o indukcji 5–7 µT w odległości 15 cm, a płyta indukcyjna – VLF, rzędu kilkudziesięciu kHz, z indukcją około 0,9 µT. Dla porównania sama Ziemia dostarcza kilkadziesiąt mikrotesli, więc część domowych źródeł wcale nie dominuje nad naturalnym tłem.

Co jeszcze wytwarza pole magnetyczne – główne źródła?

W dużym uproszczeniu można wskazać trzy grupy źródeł: ruch ładunków w przewodnikach, magnesy trwałe oraz zmienne pola elektryczne. Do tego dochodzi trzecia, bardzo ciekawa grupa – nasze własne ciało.

Magnesy stałe

Magnesy neodymowe, ferrytowe czy klasyczne magnesy sztabkowe mają uporządkowane domeny magnetyczne. W skali atomowej elektron ma orbitalny i spinowy moment magnetyczny, a w ferromagnetykach te momenty w wielu atomach ustawiają się w jednym kierunku. Suma tych mikroskopowych wkładów daje widoczne na zewnątrz pole.

Linie pola magnesu sztabkowego można łatwo obejrzeć, rozsypując opiłki żelaza na kartce nad magnesem. Opiłki układają się w kształt łuków biegnących od bieguna N do S, ale faktycznie każda linia wraca wewnątrz magnesu, tworząc zamkniętą pętlę. Takie eksperymenty dobrze pokazują, że pole magnetyczne jest polem wektorowym – kierunek igły kompasu w każdym miejscu wskazuje kierunek wektora B.

Prąd stały i zmienny

Gdy w przewodniku płynie prąd stały, powstaje stałe w czasie pole magnetyczne. To prosta sytuacja, typowa np. dla zasilania bateryjnego. W cewce z rdzeniem ferromagnetycznym otrzymujemy elektromagnes, którego siła zależy od liczby zwojów, natężenia prądu i własności rdzenia. Takie elektromagnesy podnoszą złom w hutach, działają w zaworach czy hamulcach magnetycznych.

Przy prądzie zmiennym sytuacja jest bogatsza – pole magnetyczne też zmienia się w czasie. W transformatorach zmienne pole w rdzeniu indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym. W silnikach indukcyjnych zmienne pole stojana powoduje powstanie prądów w wirniku i momentu obrotowego. Anteny radiowe zasilane prądem wysokiej częstotliwości wytwarzają zmienne pola elektryczne i magnetyczne, które odrywają się od anteny i biegną w przestrzeń jako fala radiowa.

Czy nasze ciało tworzy pole magnetyczne?

Twój organizm jest w dużym stopniu układem elektrycznym. Mózg i serce generują zmienne potencjały, które można mierzyć na powierzchni skóry. Przy badaniu EEG elektrody na czepku rejestrują napięcia rzędu kilkudziesięciu µV o częstotliwościach od kilku do około 100 Hz. Wyróżnia się tu fale theta (4–7 Hz), delta (0,5–3 Hz w czasie snu) czy gamma (80–100 Hz).

Przy EKG amplitudy są większe – rzędu kilku mV w zakresie 0–250 Hz. Każdy z tych sygnałów jest przejawem ruchu jonów w komórkach i tkankach, czyli poruszających się ładunków. To ruch ładunku jest pierwotnym źródłem pola, dlatego można mówić, że mózg i serce także wytwarzają własne pola elektromagnetyczne. W medycynie powstały nawet techniki obrazowania oparte bezpośrednio na tych polach, jak magnetoencefalografia.

Jakie urządzenia w domu generują pole elektromagnetyczne?

Od odkryć Oersteda, Faradaya i Maxwella do współczesnej elektroniki prowadzi prosta linia. Praktycznie każde domowe urządzenie elektroniczne, w którym płynie prąd lub działa antena, jest źródłem pola elektromagnetycznego. Wiele z nich pracuje w zakresie mikrofal i fal radiowych.

Telefony, Wi-Fi i Bluetooth

Smartfon to oczywisty przykład źródła mikrofal. Transmisja w sieciach GSM900 i UMTS900 odbywa się w okolicach 900 MHz, w GSM1800 i LTE1800 około 1,8 GHz, a typowe pasma 5G zaczynają się powyżej 3 GHz. W odległości 15 cm od telefonu średnie natężenie pola elektrycznego wynosi około 1 V/m, a w tej samej odległości od stacji bazowej około 4 V/m. To wartości znacznie niższe niż naturalne 100 V/m pola elektrycznego atmosfery.

Technologia Bluetooth pracuje zwykle na częstotliwości 2,4 GHz. Łączy słuchawki, myszki czy głośniki za pomocą bardzo słabych sygnałów – przy transmisji danych między telefonami natężenie pola przy obudowie na dystansie 15 cm nie przekracza około 0,8 V/m. Z kolei Wi-Fi najczęściej korzysta z pasma 2,4 GHz lub 5 GHz. W pobliżu anteny routera, w odległości 15 cm, można zmierzyć mniej więcej 5 V/m, a przy laptopie około 4 V/m.

Kuchenka mikrofalowa

Kuchenka mikrofalowa to najmocniejsze pojedyncze źródło mikrofal w domu, ale jej konstrukcja mocno ogranicza emisję na zewnątrz. Magnesron w środku generuje mikrofale o częstotliwości 2,45 GHz. To kompromis między głębokością wnikania w jedzenie a sprawnością ogrzewania, bo woda w tym paśmie bardzo dobrze pochłania energię.

Wnętrze kuchenki może być zasilane mocą rzędu kilkuset watów, dochodząc nawet do 800 W, ale zamknięta metalowa komora i siateczka w drzwiach działają jak ekran. Na zewnątrz pozostaje zaledwie 5–10 V/m pola elektrycznego i około 70 µT pola magnetycznego przy obudowie. Ta ostatnia wartość jest tylko nieco wyższa niż ziemskie pole magnetyczne, więc z perspektywy użytkownika ekspozycja poza wnętrzem komory jest ograniczona.

Urządzenia niskiej częstotliwości, świetlówki i piloty

Starsze telewizory kineskopowe generowały zauważalne pola wokół ekranu – nawet 20–40 V/m tuż przed kineskopem, w paśmie kilkudziesięciu kHz. W nowoczesnych LCD zasilacz impulsowy jest głównym źródłem pola i żeby je wyczuć, trzeba zbliżyć miernik bezpośrednio do obudowy, gdzie można zarejestrować kilka woltów na metr.

Świetlówki działają zazwyczaj w zakresie 22–45 kHz. Indukcja pola magnetycznego jest przy nich niewielka, za to natężenie pola elektrycznego potrafi osiągnąć 20–30 V/m. Jeszcze innym przykładem są wszelkiego rodzaju pilot y: do telewizora, bramy garażowej, rolet. Te do alarmów i sterowania często używają częstotliwości 433,92 MHz lub 868 MHz, natomiast w modelarstwie i zabawkach popularne są fale 27 i 40 MHz. Przy odległości 15 cm od pilota do zabawek natężenie pola wynosi około 3–5 V/m, a w małych pilotach do garażu zwykle tylko 0,4–1 V/m.

Jak pole magnetyczne jest wykorzystywane w technice?

Bez pola magnetycznego nie byłoby praktycznie żadnej nowoczesnej elektrotechniki. Od silników w pralkach po przesył energii w sieci wysokiego napięcia – wszędzie tam pracują zjawiska związane z ruchem ładunków i ich polami.

Silniki krokowe

Silnik krokowy zamienia sekwencję impulsów elektrycznych na precyzyjne, odmierzone obroty. We wnętrzu stojana rozmieszczone są elektromagnesy, a w wirniku znajdują się magnesy trwałe. Gdy kolejne cewki są zasilane, ich pola magnetyczne przyciągają odpowiednio ustawione bieguny wirnika, wymuszając jego obrót o ustalony kąt. W tej maszynie pole magnetyczne jest narzędziem do sterowania położeniem, a nie tylko przenoszenia mocy.

Istnieją różne konstrukcje silników krokowych. W wersji „jednomagnesowej” na stojanie pracuje jeden elektromagnes, a na wirniku rozłożone są magnesy trwałe. Każdy impuls prądu w cewce generuje pole, które obraca talerz wirnika o konkretny krok. W konstrukcji „dwumagnesowej” na stojanie są dwie cewki, zasilane w odpowiedniej kolejności, co pozwala uzyskać mniejsze kroki i płynniejszy ruch. Takie silniki trafiają do robotów, drukarek 3D, napędów CNC czy urządzeń medycznych, gdzie liczy się dokładna kontrola pozycji.

Silniki indukcyjne

Silnik indukcyjny, nazywany też asynchronicznym, jest podstawą napędu w przemyśle. Stojan ma uzwojenia tworzące pole magnetyczne wirujące w czasie – zasilane prądem zmiennym. Wirnik, zbudowany z przewodzących prętów (często w formie tzw. klatki), znajduje się wewnątrz tego pola. Zmienne pole stojana indukuje w prętach wirnika prądy, a te z kolei tworzą własne pole magnetyczne. Wzajemne oddziaływanie pól powoduje, że wirnik zaczyna się obracać.

Prędkość obrotowa wirnika jest nieco niższa niż prędkość wirującego pola w stojanie – różnica ta to poślizg. Bez niego nie powstałby moment obrotowy. Ta prosta konstrukcja bez szczotek daje wysoką niezawodność i sprawność. Dlatego silniki indukcyjne napędzają pompy, wentylatory, kompresory, przenośniki taśmowe i wiele układów w motoryzacji.

Inne częste zastosowania

Pole magnetyczne stało się też podstawą wielu innych urządzeń, które znasz z życia codziennego. W kilku przypadkach warto zestawić rolę pola z typowym zastosowaniem:

Lista zastosowań jest znacznie dłuższa. Transformator zmienia napięcie prądu przemiennego dzięki indukcji elektromagnetycznej w rdzeniu ferromagnetycznym. Urządzenia MRI tworzą silne pola, które porządkują spin jąder wodoru, a odpowiedź tkanek na krótkie impulsy radiowe pozwala budować trójwymiarowe obrazy wnętrza ciała. W głośnikach i mikrofonach mały magnes i cewka zamieniają sygnały elektryczne na dźwięk i odwrotnie.

W technologiach NFC i RFID pola magnetyczne o wysokiej częstotliwości służą do przesyłania informacji i zasilania zbliżonych kart lub tagów. Paski magnetyczne na kartach płatniczych przechowują dane w formie trwałego namagnesowania cienkiej warstwy materiału, a czytnik odczytuje je, analizując zmiany pola podczas przeciągnięcia karty.

W codziennym otoczeniu mamy więc kombinację naturalnego pola Ziemi, pól generowanych przez nasze organizmy i pól wytwarzanych przez elektronikę – od telefonów i Wi-Fi po silniki i transformatory.