Marker er overalt omkring os. Uanset om det er tyngdefeltet forårsaget af jordens masse eller de elektriske felter skabt af ladede partikler såsom elektroner, der er usynlige felter overalt, der repræsenterer potentialer og usynlige kræfter, der er i stand til at bevæge genstande med passende egenskaber.
For eksempel betyder et elektrisk felt i et område, at en ladet genstand kan afbøjes fra sin oprindelige sti, når den kommer ind i regionen, og tyngdefeltet på grund af jordens masse holder dig fast på jordens overflade, medmindre du gør noget arbejde for at overvinde dets indflydelse.
Magnetfelter er årsagen til magnetiske kræfter, og genstande, der udøver magnetiske kræfter på andre objekter, gør det ved at skabe et magnetfelt. Magnetfelter kan detekteres ved afbøjning af kompassåle, der er på linje med feltlinjer (det magnetiske nord for nålen peger mod magnetisk syd). Hvis du studerer elektricitet og magnetisme, er det et afgørende trin på din rejse at lære mere om magnetfelter og magnetkraften.
Hvad er et magnetfelt?
I fysik generelt er felter vektorer med værdier i alle områder af rummet, der fortæller dig, hvor stærk eller svag en effekt er på det tidspunkt, og retningens retning. For eksempel skaber et objekt med masse, ligesom solen, et tyngdefelt, og andre objekter med masse, der kommer ind i det felt, påvirkes af en kraft som et resultat. Sådan holder solens tyngdekraft jorden i kredsløb omkring den.
Længere ude i solsystemet, som f.eks. Ved Uranus 'kredsløb, gælder den samme kraft, men styrken er meget lavere. Det er altid rettet mod solen; hvis du forestiller dig en samling pile, der omgiver solen, som alle peger mod den, men med længere længder på tæt afstand (stærkere kraft) og mindre længder ved lange afstande (svagere kraft), har du dybest set forestillet dig tyngdefeltet i solen system.
På samme måde som dette skaber genstande med ladning elektriske felter, og bevægelige ladninger genereresmagnetiske felter, som kan give anledning til en magnetisk kraft i en nærliggende ladet genstand eller andre magnetiske materialer.
Disse felter er lidt mere komplicerede med hensyn til form end gravitationsfelter, da de har magnetisk looping feltlinjer, der kommer ud af den positive (eller nordpol) og slutter ved den negative (eller sydpolen), men de udfylder den samme grundlæggende rolle. De er som kraftlinjer, der fortæller dig, hvordan et objekt, der er placeret et sted, opfører sig. Du kan tydeligt visualisere dette ved hjælp af jernfilter, som vil justeres med det eksterne magnetfelt.
Magnetfelter eraltid dipolfelter, så der er ingen magnetiske monopol. Generelt er magnetfelter repræsenteret med brevetB, men hvis et magnetfelt passerer gennem et magnetisk materiale, kan dette blive polariseret og generere sit eget magnetfelt. Dette andet felt bidrager til det første felt, og kombinationen af de to henvises til i brevetH, hvor
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ tekst {og} \ mu_m = K_m \ mu_0
med μ0 = 4π × 10−7 H / m (dvs. den frie magnetiske permeabilitet) og Km er den relative permeabilitet af det pågældende materiale.
Mængden af magnetfelt, der passerer gennem et givet område, kaldes magnetisk flux. Magnetisk fluxdensitet er relateret til lokal feltstyrke. Da magnetfelter altid er dipolare, er nettomagnetstrømmen gennem en lukket overflade 0. (Alle feltlinjer, der forlader overfladen, skal nødvendigvis indtaste den igen og annullere.)
Enheder og måling
SI-enheden med magnetfeltstyrke er tesla (T), hvor:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 Ikke relevant m
En anden meget anvendt enhed til magnetfeltstyrke er Gauss (G), hvor:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Teslaen er en ganske stor enhed, så i mange praktiske situationer er gauss et mere nyttigt valg - for eksempel a køleskabsmagnet har en styrke på ca. 100 G, mens jordens magnetfelt på jordens overflade er ca. 0,5 G.
Årsager til magnetfelter
Elektricitet og magnetisme er grundlæggende sammenflettet, fordi magnetfelter genereres af bevægelig ladning (som elektriske strømme) eller skiftende elektriske felter, mens et skiftende magnetfelt genererer en elektrisk Mark.
I en stangmagnet eller en lignende magnetisk genstand skyldes magnetfeltet adskillige magnetiske "domæner" bliver justeret, hvilket igen er skabt af bevægelsen af de ladede elektroner omkring deres kerner atomer. Disse bevægelser producerer små magnetfelter inden for et domæne. I de fleste materialer vil domæner have tilfældig justering og annullere hinanden, men i nogle materialer, bliver magnetfelterne i nærliggende domæner justeret, og dette producerer større skala magnetisme.
Jordens magnetfelt genereres også af bevægelig ladning, men i dette tilfælde er det bevægelsen af det smeltede lag, der omgiver jordens kerne, der skaber magnetfeltet. Dette forklares meddynamo teori, som beskriver, hvordan en roterende, elektrisk ladet væske genererer et magnetfelt. Jordens ydre kerne indeholder konstant flydende jern, hvor elektroner bevæger sig gennem væsken og genererer magnetfeltet.
Solen har også et magnetfelt, og forklaringen på, hvordan dette fungerer, er meget ens. De forskellige rotationshastigheder for forskellige dele af solen (dvs. det væskelignende materiale ved forskellige breddegrader) fører imidlertid til feltlinjerne blive sammenfiltret over tid såvel som mange fænomener forbundet med solen, som f.eks. solstråler og solpletter og den omkring 11-årige sol cyklus. Solen har to poler, ligesom en stangmagnet, men bevægelserne fra solens plasma og den gradvis stigende solaktivitet får magnetpolerne til at vende hvert 11. år.
Magnetfeltformler
Magnetfelterne på grund af forskellige arrangementer af bevægelsesladning skal afledes individuelt, men der er mange standardformler, du kan bruge, så du ikke har "genopfinde hjulet" hver tid. Du kan udlede formler til stort set ethvert arrangement af flytning af ladning ved hjælp af Biot-Savart-loven eller Ampere-Maxwell-loven. Imidlertid er de resulterende formler til enkle arrangementer af elektrisk strøm så almindeligt anvendt og citeret, at du kan behandle dem simpelthen som "standardformler" snarere end at aflede dem fra Biot-Savart- eller Ampere-Maxwell-loven hver gang.
Magnetfeltet for en lige strømmen bestemmes ud fra Ampere's lov (en enklere form for Ampere-Maxwell-loven) som:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Hvorμ0 er som defineret tidligere,jeger strømmen i forstærkere ogrer afstanden fra den ledning, du måler magnetfeltet.
Magnetfeltet i midten af en strømsløjfe er givet ved:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
HvorRer loopens radius, og de andre symboler er som defineret tidligere.
Endelig er magnetfeltet i en solenoid givet ved:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
HvorNer antallet af drejninger ogLer længden af solenoiden. Magnetfeltet i en solenoid er stort set koncentreret i midten af spolen.
Eksempelberegninger
At lære at bruge disse ligninger (og lignende) er det vigtigste, du skal gøre, når du beregner et magnetfelt eller den resulterende magnetiske kraft, så et eksempel på hver hjælper dig med at tackle den slags problemer, du sandsynligvis vil komme ud for.
Hvad er magnetfeltstyrken 0,5 m væk fra ledningen for en lang lige ledning, der bærer en 5 ampere strøm (dvs. I = 5 A)?
Brug af den første ligning med I = 5 A og r = 0,5 m giver:
\ begin {align} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ tekst {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ tekst {T} \ slut {justeret}
Nu for en strømsløjfe, der bærer I = 10 A og med en radius på r = 0,2 m, hvad er magnetfeltet i midten af sløjfen? Den anden ligning giver:
\ begin {align} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ tekst {m}} \\ & = 3,14 × 10 ^ {- 5} \ tekst {T} \ ende {justeret}
Endelig, for en solenoid med N = 15 omdrejninger i en længde på L = 0,1 m, der bærer en strøm på 4 A, hvad er magnetfeltstyrken i midten?
Den tredje ligning giver:
\ begin {align} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {turns}} {0.1 \ text {m}} × 4 \ tekst {A} \\ & = 7,54 × 10 ^ {- 4} \ tekst {T} \ end {justeret}
Andre eksempler på magnetfeltberegninger fungerer muligvis lidt anderledes - for eksempel ved at fortælle dig feltet i midten af en solenoid og strømmen, men beder om N / L-forholdet - men så længe du er bekendt med ligningerne, har du ikke problemer besvare dem.