Hvad får magneter til at afvise?

Du kan nogle gange se magneter frastøde hinanden, og andre gange se dem tiltrække hinanden. Ændring af form og retning mellem to forskellige magneter kan ændre den måde, de enten tiltrækker eller frastøder hinanden.

At studere magnetiske materialer mere detaljeret kan give dig en bedre idé om, hvordan magnetens frastødende kraft fungerer. Gennem disse eksempler kan du se, hvor nuanceret og kreativt magnetismens teorier og videnskab kan være.

Modsætninger tiltrækkes. For at forklare hvorfor magneter frastøder hinanden, vil en nordende af en magnet blive tiltrukket syd for en anden magnet. De nordlige og nordlige ender af to magneter såvel som de sydlige og sydlige ender af to magneter vil afvise hinanden. Den magnetiske kraft er grundlaget for elektriske motorer og attraktive magneter til brug i medicin, industri og forskning.

For at forstå, hvordan denne frastødende kraft fungerer, og forklare, hvorfor magneter frastøder hinanden og tiltrækker elektricitet, det er vigtigt at studere arten af ​​magnetisk kraft og de mange former, den tager i forskellige fænomener i fysik.

Til to bevægelige ladede partikler med ladningerq₁ogq₂og respektive hastighederv₁ogv₂adskilt af en radiusvektorr, den magnetiske kraft mellem dem er givet afBiot-Savart-lov​:

hvori×betegnerkrydsprodukt, forklaret nedenfor.μ₀ = 12.57×10⁻⁷ H / m, som er den magnetiske permeabilitetskonstant for et vakuum. Huske| r |er den absolutte værdi af radius. Denne kraft afhænger meget nøje af vektorernes retningv₁​, ​v₂og _r.

Mens ligningen kan ligne den elektriske kraft på ladede partikler, skal du huske, at den magnetiske kraft kun bruges til bevægelige partikler. Den magnetiske kraft tegner sig heller ikke for enmagnetisk monopol, en hypotetisk partikel, der kun ville have en pol, nord eller syd, mens elektrisk ladede partikler og genstande kan oplades i en enkelt retning, positiv eller negativ. Disse faktorer forårsager forskellene i kraftformerne for magnetisme og for elektricitet.

Teorier om elektricitet og magnetisme viser også, at hvis du havde to magnetiske monopol, der ikke bevægede sig, de ville stadig opleve en kraft på samme måde som en elektrisk kraft ville forekomme mellem to ladede partikler.

Forskere har imidlertid ikke vist noget eksperimentelt bevis for at konkludere med sikkerhed og tillid til, at der findes magnetiske monopol. Hvis det viser sig, at de eksisterer, kunne forskere komme med ideer om "magnetisk ladning" på samme måde som elektrisk ladede partikler er.

Hvis du husker vektorernes retningv₁​, ​v₂ogr, kan du afgøre, om kraften mellem dem er attraktiv eller frastødende. For eksempel, hvis du har en partikel, der bevæger sig fremad i x-retningen med en hastighedv, så skal denne værdi være positiv. Hvis den bevæger sig i den anden retning, skal v-værdien være negativ.

Disse to partikler afviser hinanden, hvis de magnetiske kræfter, der bestemmes af deres respektive magnetfelter mellem dem, annullerer hinanden ved at pege i forskellige retninger væk fra hinanden. Hvis de to kræfter peger i forskellige retninger mod hinanden, er den magnetiske kraft attraktiv. Den magnetiske kraft er forårsaget af disse bevægelser af partikler.

Du kan bruge disse ideer til at vise, hvordan magnetisme fungerer i hverdagens genstande. For eksempel, hvis du placerer en neodymmagnet nær en stålskruetrækker og flytter den op, ned ad akslen og derefter fjerner magneten, kan skruetrækkeren muligvis beholde en vis magnetisme indeni den. Dette sker på grund af de interagerende magnetfelter mellem de to objekter, der skaber den attraktive kraft, når de annullerer hinanden.

Denne afvise og tiltrække definition gælder i alle anvendelser af magneter og magnetfelter. Hold styr på, hvilke retninger, der svarer til frastødning og tiltrækning.

•••Syed Hussain Ather

For strømme, der bevæger ladninger gennem ledninger, kan den magnetiske kraft bestemmes som attraktiv eller frastødende baseret på ledningernes placering i forhold til hinanden og den aktuelle retning flytter sig. For strømme i cirkulære ledninger kan du bruge højre hånd til at bestemme, hvordan magnetfelter opstår.

Den højre regel for strømme i ledninger betyder, at hvis du placerer fingrene på din højre hånd krøllet i retning i en trådsløjfe, kan du bestemme retningen af ​​det resulterende magnetfelt og det magnetiske moment, som vist i diagrammet over. Dette giver dig mulighed for at bestemme, hvordan sløjfer er attraktive eller frastødende indbyrdes.

Højre-reglen lader dig også bestemme retningen af ​​det magnetfelt, som strømmen i en lige ledning udsender. I dette tilfælde peger du din højre tommelfinger i strømretningen gennem den elektriske ledning. Retningen for, hvordan din højre hånds fingre krøller, bestemmer retningen på magnetfeltet?

Fra disse eksempler på magnetfelt induceret af strømme kan du bestemme magnetkraften mellem to ledninger som et resultat af disse magnetfeltlinjer.

•••Syed Hussain Ather

Magnetfelterne mellem strømledningerne er enten attraktive eller frastødende afhængigt af retningen af ​​elektrisk strøm og retningen af ​​magnetfelterne, der er resultatet af dem. Det magnetiske dipolmoment er styrken og orienteringen af ​​en magnet, der producerer magnetfeltet. I ovenstående diagram viser den resulterende tiltrækning eller frastødning denne afhængighed.

Du kan forestille dig de magnetiske feltlinjer, som disse elektriske strømme afgiver, når de krøller sig omkring hver del af den nuværende ledningssløjfe. Hvis disse loopingsretninger mellem de to ledninger er i modsat retning mod hinanden, vil ledningerne tiltrække hinanden. Hvis de er i modsatte retninger væk fra hinanden, vil løkkerne afvise hinanden.

DetLorentz ligningmåler den magnetiske kraft mellem en partikel i bevægelse i et magnetfelt. Ligningen er

hvoriFer den magnetiske kraft,qer ladningen af ​​den ladede partikel,Eer det elektriske felt,ver partikelhastigheden, ogBer magnetfeltet. I ligningen angiver x krydsproduktet mellemqvogB​.

Tværproduktet kan forklares med geometri og en anden version af højre regel. Denne gang bruger du højre-reglen som en regel til at bestemme retningen af ​​vektorer i krydsproduktet. Hvis partiklen bevæger sig i en retning, der ikke er parallel med magnetfeltet, vil partiklen blive frastødt af den.

Lorentz-ligningen viser den grundlæggende forbindelse mellem elektricitet og magnetisme. Dette ville føre til ideer om elektromagnetisk felt og elektromagnetisk kraft, der repræsenterede både de elektriske og magnetiske komponenter i disse fysiske egenskaber.

Den højre regel fortæller dig, at krydsproduktet mellem to vektorer,-enogb, er vinkelret på dem, hvis du peger din højre pegefinger i retning afbog din højre langfinger i retning af-en. Din tommelfinger peger i retning afcden resulterende vektor fra krydsproduktet af-enogb. Vektorenchar en størrelse givet af det areal af parallelogrammet, som vektorer-enogbspændvidde

•••Syed Hussain Ather

Tværproduktet afhænger af vinklen mellem de to vektorer, da dette bestemmer arealet af parallelogrammet, der spænder mellem de to vektorer. Et krydsprodukt til to vektorer kan bestemmes som

for en vis vinkelθmellem vektorer-enogb,at huske, at det peger i den retning, som højrehåndsreglen giver mellem-enogb​.

To nordpoler afviser hinanden, og to sydpoler afviser også hinanden, ligesom hvordan elektriske ladninger frastøder hinanden, og modsatte ladninger tiltrækker hinanden. Kompassets magnetiske kompasnål bevæger sig med et drejningsmoment, en krops rotationskraft i bevægelse. Du kan beregne dette drejningsmoment ved hjælp af et krydsprodukt af drejningskraften, drejningsmoment, som resultatet af det magnetiske øjeblik med magnetfeltet.

I dette tilfælde kan du bruge "tau"

hvormer det magnetiske dipolmoment,Ber magnetfeltet, ogθer vinklen mellem disse to vektorer. Hvis du bestemmer, hvor meget af den magnetiske kraft, der skyldes rotation for en genstand i et magnetfelt, er denne værdi drejningsmomentet. Du kan bestemme enten magnetmomentet eller magnetfeltets kraft.

Fordi en kompassnål tilpasser sig Jordens magnetfelt, vil den pege mod nord, fordi det er dens laveste energitilstand at tilpasse sig denne måde. Det er her magnetmomentet og magnetfeltet flugter med hinanden, og vinklen mellem dem er 0 °. Det er kompasset i ro, efter at alle andre kræfter, der bevæger kompasset rundt, er blevet taget højde for. Du kan bestemme styrken af ​​denne rotationsbevægelse ved hjælp af drejningsmoment.

Et magnetfelt får materie til at vise magnetiske egenskaber, især blandt grundstoffer som kobolt og jern, der har uparrede elektroner, der lader ladninger bevæge sig, og magnetfelter opstår. Magneter, der enten er klassificeret som paramagnetiske eller diamagnetiske, giver dig mulighed for at afgøre, om en magnetisk kraft er attraktiv eller frastødende af magnetens poler.

Diamagneter har ingen eller få ikke-parrede elektroner og kan ikke lade ladninger flyde frit så let som andre materialer gør. De afvises af magnetfelter. Paramagneter har uparrede elektroner, der lader opladning strømme, og tiltrækkes derfor af magnetfelter. For at bestemme, om et materiale er diamagnetisk eller paramagnetisk, skal du bestemme, hvordan elektroner optager orbitaler baseret på deres energi i forhold til resten af ​​atomet.

Sørg for, at elektroner kun skal besætte hvert kredsløb med en elektron, før orbitalerne har to elektroner. Hvis du ender med ikke-parrede elektroner, som det er tilfældet med ilt O₂, materialet er paramagnetisk. Ellers er den diamagnetisk, ligesom N₂. Du kan forestille dig denne attraktive eller frastødende kraft som interaktionen mellem den ene magnetiske dipol og den anden.

Den potentielle energi af en dipol i et eksternt magnetfelt gives af punktproduktet mellem det magnetiske øjeblik og det magnetiske felt. Denne potentielle energi er

for vinklenθmellem m og B. Prikproduktet måler den skalære sum, der skyldes multiplikation af x-komponenterne i en vektor med x-komponenterne i en anden, mens det samme gøres for y-komponenter.

For eksempel, hvis du havde vektora = 2i + 3jogb = 4i + 5j, ville det resulterende prikprodukt af de to vektorer være24 + 35 = 23. Minustegnet i ligningen for potentiel energi indikerer, at potentialet er defineret som negativt for højere potentielle energier af magnetisk kraft.