Pole jsou všude kolem nás. Ať už jde o gravitační pole způsobené hmotou Země nebo elektrická pole vytvářená nabitými částicemi, jako jsou elektrony, všude jsou neviditelná pole, představující potenciály a neviditelné síly schopné vhodným způsobem pohybovat objekty charakteristiky.
Například elektrické pole v oblasti znamená, že nabitý objekt může být odkloněn od své původní dráhy, když vstoupí do oblasti, a gravitační pole způsobené hmotou Země vás udrží pevně na povrchu Země, pokud neprovedete nějakou práci, abyste ji překonali vliv.
Magnetická pole jsou příčinou magnetických sil a objekty, které vyvíjejí magnetické síly na jiné objekty, tak vytvářejí magnetické pole. Magnetická pole lze detekovat vychýlením jehel kompasu, které se srovnávají s siločarami (magnetický sever jehly směřující k magnetickému jihu). Pokud studujete elektřinu a magnetismus, dozvíte se více o magnetických polích a magnetické síle zásadním krokem na vaší cestě.
Co je to magnetické pole?
Ve fyzice obecně jsou pole vektory s hodnotami v každé oblasti vesmíru, které vám říkají, jak silný nebo slabý je účinek v daném bodě, a jeho směr. Například objekt s hmotou, jako je slunce, vytváří gravitační pole a další objekty s hmotou vstupující do tohoto pole jsou ve výsledku ovlivněny silou. Takto gravitační síla slunce udržuje Zemi na oběžné dráze kolem ní.
Dále ve sluneční soustavě, například v dosahu oběžné dráhy Uranu, platí stejná síla, ale síla je mnohem nižší. Vždy směřuje přímo na slunce; pokud si představíte sbírku šípů obklopujících slunce, všechny směřující k němu, ale s delšími délkami na krátkou vzdálenost (silnější síla) a menší délky na velké vzdálenosti (slabší síla), v podstatě jste si představovali gravitační pole ve sluneční Systém.
Stejně jako toto, objekty s nábojem vytvářejí elektrická pole a generují se pohyblivé nábojemagnetické pole, které mohou vyvolat magnetickou sílu v blízkém nabitém objektu nebo jiných magnetických materiálech.
Tato pole jsou z hlediska tvaru trochu komplikovanější než gravitační pole, protože mají smyčkové magnetické pole siločáry, které vycházejí z kladného (nebo severního pólu) a končí u záporného (nebo jižního pólu), ale vyplňují stejnou základní role. Jsou jako silové linie, které vám řeknou, jak se bude chovat objekt umístěný na určitém místě. Můžete to jasně vizualizovat pomocí železných pilin, které se vyrovnají s vnějším magnetickým polem.
Magnetická pole jsouvždy dipólová pole, takže neexistují žádné magnetické monopoly. Obecně jsou magnetická pole reprezentována písmenemB, ale pokud magnetické pole prochází magnetickým materiálem, může dojít k polarizaci a generování vlastního magnetického pole. Toto druhé pole přispívá k prvnímu poli a kombinace těchto dvou je označována písmenemH, kde
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {a} \ mu_m = K_m \ mu_0
s μ0 = 4π × 10−7 H / m (tj. Magnetická permeabilita volného prostoru) a K.m je relativní propustnost daného materiálu.
Množství magnetického pole procházejícího danou oblastí se nazývá magnetický tok. Hustota magnetického toku souvisí s místní intenzitou pole. Jelikož magnetická pole jsou vždy dipolární, je čistý magnetický tok uzavřeným povrchem 0. (Jakékoli siločáry opouštějící povrch nutně do něj vstupují znovu a ruší se.)
Jednotky a měření
Jednotkou SI síly magnetického pole je tesla (T), kde:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Další široce používanou jednotkou pro sílu magnetického pole je gauss (G), kde:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla je docela velká jednotka, takže v mnoha praktických situacích je gauss užitečnější volbou - například a magnet v chladničce bude mít sílu asi 100 G, zatímco magnetické pole Země na povrchu Země je asi 0,5 G.
Příčiny magnetických polí
Elektřina a magnetismus jsou zásadně propojeny, protože magnetická pole jsou generována pohyblivým nábojem (jako elektrické proudy) nebo měnící se elektrické pole, zatímco měnící se magnetické pole generuje elektrický pole.
V tyčovém magnetu nebo podobném magnetickém objektu je magnetické pole výsledkem několika magnetických „domén“ stávají se zarovnány, které jsou zase vytvářeny pohybem nabitých elektronů kolem jejich jader atomy. Tyto pohyby produkují malá magnetická pole v doméně. Ve většině materiálů budou domény mít náhodné zarovnání a navzájem se zruší, ale v některých materiály, magnetická pole v sousedních doménách jsou zarovnána, což vytváří větší měřítko magnetismus.
Magnetické pole Země je také generováno pohybujícím se nábojem, ale v tomto případě magnetické pole vytváří pohyb roztavené vrstvy obklopující zemské jádro. To vysvětlujeteorie dynama, který popisuje, jak rotující, elektricky nabitá tekutina vytváří magnetické pole. Vnější jádro Země obsahuje neustále se pohybující tekuté železo, přičemž elektrony procházejí kapalinou a vytvářejí magnetické pole.
Slunce má také magnetické pole a vysvětlení toho, jak to funguje, je velmi podobné. Avšak různé rychlosti otáčení různých částí slunce (tj. Materiálu podobného tekutině v různých zeměpisných šířkách) vedou k siločarám zamotání se v průběhu času stejně jako mnoho jevů spojených se sluncem, jako jsou sluneční erupce a sluneční skvrny, a zhruba 11letá sluneční energie cyklus. Slunce má dva póly, stejně jako tyčový magnet, ale pohyby sluneční plazmy a postupně se zvyšující sluneční aktivita způsobují, že se magnetické póly obracejí každých 11 let.
Vzorce magnetického pole
Magnetická pole v důsledku různých uspořádání pohybujícího se náboje musí být odvozena individuálně, ale můžete použít mnoho standardních vzorců, abyste nemuseli „znovuobjevovat kolo“ každý čas. Pomocí zákona Biot-Savart nebo Ampere-Maxwell můžete odvodit vzorce pro v podstatě jakékoli uspořádání pohybujícího se náboje. Výsledné vzorce pro jednoduchá uspořádání elektrického proudu jsou však tak běžně používány a citovány, že můžete jednoduše s nimi zacházejte jako se „standardními vzorci“, místo aby je pokaždé odvozovali ze zákona Biot-Savart nebo Ampere-Maxwell.
Magnetické pole přímého proudu je určeno Ampereovým zákonem (jednodušší forma Ampere-Maxwellova zákona) jako:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Kdeμ0 je definováno dříve,Jáje proud v ampérech arje vzdálenost od drátu, kterým měříte magnetické pole.
Magnetické pole ve středu proudové smyčky je dáno vztahem:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
KdeRje poloměr smyčky a ostatní symboly jsou definovány výše.
Nakonec je magnetické pole solenoidu dáno vztahem:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
KdeNje počet otáček aLje délka solenoidu. Magnetické pole solenoidu je z velké části soustředěno ve středu cívky.
Příklad výpočtů
Naučit se používat tyto (a jim podobné) rovnice je hlavní věc, kterou musíte udělat při výpočtu magnetického pole nebo výsledná magnetická síla, takže příklad každého z nich vám pomůže vypořádat se s problémy, které pravděpodobně budete mít setkání.
Jaká je síla magnetického pole pro dlouhý rovný vodič, který nese 5-ampérový proud (tj. I = 5 A) 0,5 m od drátu?
Použití první rovnice s I = 5 A ar = 0,5 m dává:
\ begin {aligned} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ text {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ text {T} \ end {zarovnáno}
Nyní pro proudovou smyčku nesoucí I = 10 A s poloměrem r = 0,2 m, jaké je magnetické pole ve středu smyčky? Druhá rovnice dává:
\ begin {aligned} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ text {m}} \\ & = 3,14 × 10 ^ {- 5} \ text {T} \ end {zarovnáno}
A konečně, jaká je síla magnetického pole ve středu pro solenoid s N = 15 závitů v délce L = 0,1 m, nesoucí proud 4 A?
Třetí rovnice dává:
\ begin {aligned} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {turn}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7,54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {zarovnáno}
Jiné příklady výpočtů magnetického pole mohou fungovat trochu jinak - například vám řeknou pole ve středu a solenoid a proud, ale žádáte o poměr N / L - ale pokud znáte rovnice, nebudete mít problémy odpovídat na ně.