Магнитно поле: Определение, причини, формула, мерни единици и измерване (с примери)

Полетата са навсякъде около нас. Независимо дали става дума за гравитационното поле, причинено от масата на Земята, или електрическите полета, създадени от заредени частици като електрони, навсякъде има невидими полета, представляващи потенциали и невидими сили, способни да движат обекти с подходящо характеристики.

Например, електрическо поле в дадена област означава, че зареденият обект може да бъде отклонен от първоначалния си път, когато влезе в региона, и гравитационното поле поради масата на Земята ви държи здраво на повърхността на Земята, освен ако не извършите някаква работа за преодоляване на влияние.

Магнитните полета са причина за магнитните сили, а обектите, които упражняват магнитни сили върху други обекти, го правят чрез създаване на магнитно поле. Магнитните полета могат да бъдат открити чрез отклонение на иглите на компаса, които се подреждат с полеви линии (магнитната северна част на иглата, насочена към магнитния юг). Ако изучавате електричество и магнетизъм, научаването на повече за магнитните полета и магнитната сила е решаваща стъпка на вашето пътуване.

Във физиката като цяло полетата са вектори със стойности във всеки регион на пространството, които ви казват колко силен или слаб е ефектът в този момент и посоката на ефекта. Например обект с маса, подобно на слънцето, създава гравитационно поле, а други обекти с маса, влизащи в това поле, са засегнати от сила в резултат. Ето как гравитационното привличане на слънцето поддържа Земята в орбита около нея.

По-далеч в Слънчевата система, например в обхвата на орбитата на Уран, се прилага същата сила, но силата е много по-ниска. Винаги е насочен право към слънцето; ако си представяте колекция от стрели, заобикалящи слънцето, всички сочещи към него, но с по-голяма дължина на близко разстояние (по-силна сила) и по-малки дължини на големи разстояния (по-слаба сила), вие основно сте си представяли гравитационното поле в слънчевата система.

По същия начин като този, обектите със заряд създават електрически полета, а движещите се заряди генериратмагнитни полета, които могат да предизвикат магнитна сила в близкия зареден обект или други магнитни материали.

Тези полета са малко по-сложни от гледна точка на формата, отколкото гравитационните полета, тъй като имат магнитни контури полеви линии, които излизат от положителния (или северния полюс) и завършват при отрицателния (или южния полюс), но запълват същата основна роля. Те са като силови линии, които ви казват как ще се държи обект, поставен на място. Можете ясно да визуализирате това с помощта на железни стружки, които ще се подравнят с външното магнитно поле.

Магнитните полета савинаги​ ​диполни полета, така че няма магнитни монополи. Обикновено магнитните полета са представени с букватаБ., но ако магнитно поле премине през магнитен материал, това може да се поляризира и да генерира собствено магнитно поле. Това второ поле допринася за първото поле и комбинацията от двете се обозначава с писмотоЗ., където

с μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H / m (т.е. магнитната пропускливост на свободното пространство) и K_м като относителната пропускливост на въпросния материал.

Количеството магнитно поле, преминаващо през дадена област, се нарича магнитен поток. Плътността на магнитния поток е свързана с локалната сила на полето. Тъй като магнитните полета винаги са диполярни, нетният магнитен поток през затворена повърхност е 0. (Всички полеви линии, излизащи от повърхността, задължително влизат отново в нея, като се отменят.)

Единицата за сила на магнитното поле на SI е теслата (T), където:

1 тесла = 1 T = 1 kg / A s² = 1 V s / m² = 1 N / A m

Друга широко използвана единица за сила на магнитното поле е гаус (G), където:

1 гаус = 1 G = 10⁻⁴ T

Теслата е доста голяма единица, така че в много практически ситуации гаусът е по-полезен избор - например а магнитът на хладилника ще има сила около 100 G, докато магнитното поле на Земята на повърхността на Земята е около 0,5 G.

Електричеството и магнетизмът са фундаментално преплетени, защото магнитните полета се генерират от движещ се заряд (като електрически токове) или променящи се електрически полета, докато променящото се магнитно поле генерира електрическо поле.

В бар магнит или подобен магнитен обект, магнитното поле е резултат от няколко магнитни "домена" стават подравнени, които от своя страна са създадени от движението на заредените електрони около техните ядра атоми. Тези движения създават малки магнитни полета в даден домейн. В повечето материали домейните ще имат произволно подравняване и ще се отменят взаимно, но в някои материали, магнитните полета в съседни домейни се изравняват и това води до по-голям мащаб магнетизъм.

Магнитното поле на Земята също се генерира от движещ се заряд, но в този случай движението на разтопения слой, заобикалящ ядрото на Земята, създава магнитното поле. Това се обяснява стеория на динамото, който описва как въртяща се, електрически заредена течност генерира магнитно поле. Външното ядро ​​на Земята съдържа постоянно движещо се течно желязо, с електрони, които пътуват през течността и генерират магнитно поле.

Слънцето също има магнитно поле и обяснението как работи това е много подобно. Различните скорости на въртене на различни части на слънцето (т.е. течноподобния материал на различни географски ширини) водят до полевите линии заплитане с времето, както и много явления, свързани със слънцето, като слънчеви изригвания и слънчеви петна и приблизително 11-годишната слънчева светлина цикъл. Слънцето има два полюса, точно като баров магнит, но движенията на слънчевата плазма и постепенно нарастващата слънчева активност кара магнитните полюси да се обръщат на всеки 11 години.

Магнитните полета, дължащи се на различни подреждания на движещия се заряд, трябва да бъдат изведени индивидуално, но има много стандартни формули, които можете да използвате, за да не се налага да „преоткривате колелото“ всеки време. Можете да извлечете формули за основно всяко подреждане на движещ се заряд, като използвате закона на Biot-Savart или закона на Ampere-Maxwell. Получените формули за прости подредби на електрически ток обаче са толкова често използвани и цитирани, че можете просто ги третирайте като "стандартни формули", вместо да ги извеждате от закона на Био-Саварт или Ампера-Максуел всеки път.

Магнитното поле на праволинейния ток се определя от закона на Ампер (по-проста форма на закона на Ампер-Максуел) като:

Къдетоμ​₀ е както е дефинирано по-рано,Азе токът в усилватели иrе разстоянието от проводника, който измервате магнитното поле.

Магнитното поле в центъра на токов контур се дава от:

КъдетоRе радиусът на цикъла, а останалите символи са дефинирани по-рано.

И накрая, магнитното поле на соленоида се дава от:

Къдетоне броят на завъртанията иLе дължината на соленоида. Магнитното поле на соленоида е концентрирано до голяма степен в центъра на намотката.

Да се ​​научите да използвате тези уравнения (и такива като тях) е основното нещо, което ще трябва да направите, когато изчислявате магнитно поле или получената магнитна сила, така че пример за всеки ще ви помогне да се справите с проблема, който вероятно ще имате сблъскване.

За дълъг прав проводник, носещ 5-ампер ток (т.е. I = 5 A), каква е силата на магнитното поле на 0,5 m от проводника?

Използването на първото уравнение с I = 5 A и r = 0,5 m дава:

Сега за токов контур, носещ I = 10 A и с радиус r = 0,2 m, какво е магнитното поле в центъра на контура? Второто уравнение дава:

И накрая, за соленоида с N = 15 оборота с дължина L = 0,1 m, носещ ток от 4 A, каква е силата на магнитното поле в центъра?

Третото уравнение дава:

Други примери за изчисления на магнитно поле може да работят малко по-различно - например да ви кажат полето в центъра на a соленоид и ток, но иска съотношение N / L - но докато сте запознати с уравненията, няма да имате проблеми отговаряйки им.