Τι κάνει τους μαγνήτες να αποκρούουν;

Μπορεί μερικές φορές να βλέπετε μαγνήτες να απωθούν ο ένας τον άλλον και άλλες φορές να τους προσελκύουν. Η αλλαγή του σχήματος και του προσανατολισμού μεταξύ δύο διαφορετικών μαγνητών μπορεί να αλλάξει τον τρόπο που προσελκύουν ή απωθούν ο ένας τον άλλον.

Η μελέτη των μαγνητικών υλικών με μεγαλύτερη λεπτομέρεια μπορεί να σας δώσει μια καλύτερη ιδέα για το πώς λειτουργεί η απωθητική δύναμη του μαγνήτη. Μέσα από αυτά τα παραδείγματα, μπορείτε να δείτε πόσο αποχρωματισμένες και δημιουργικές είναι οι θεωρίες και η επιστήμη του μαγνητισμού.

Τα αντίθετα προσελκύουν. Για να εξηγήσουμε γιατί οι μαγνήτες απωθούν ο ένας τον άλλον, ένα βόρειο άκρο ενός μαγνητικού θα έλκεται στο νότο ενός άλλου μαγνητικού. Τα βόρεια και βόρεια άκρα των δύο μαγνητών καθώς και τα νότια και τα νότια άκρα των δύο μαγνητών θα αποκρούσουν το ένα το άλλο. Η μαγνητική δύναμη είναι η βάση για ηλεκτρικούς κινητήρες και ελκυστικούς μαγνήτες για χρήση στην ιατρική, τη βιομηχανία και την έρευνα.

Για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί αυτή η απωστική δύναμη και να εξηγηθεί γιατί οι μαγνήτες απωθούν ο ένας τον άλλον και προσελκύουν ηλεκτρισμό, Είναι σημαντικό να μελετήσετε τη φύση της μαγνητικής δύναμης και τις πολλές μορφές που λαμβάνει σε διάφορα φαινόμενα η φυσικη.

Για δύο κινούμενα φορτισμένα σωματίδια με φορτίαε₁καιε₂και αντίστοιχες ταχύτητεςβ₁καιβ₂διαχωρίζεται από ένα διάνυσμα ακτίναςρ, η μαγνητική δύναμη μεταξύ τους δίνεται από τοΝόμος Biot-Savart​:

στο οποίο×δηλώνει τοδιασταυρούμενο προϊόν, εξηγείται παρακάτω.μ₀ = 12.57×10⁻⁷ Ω / μ, η οποία είναι η σταθερά μαγνητικής διαπερατότητας για κενό. Θυμήσου| r |είναι η απόλυτη τιμή της ακτίνας. Αυτή η δύναμη εξαρτάται πολύ στενά από την κατεύθυνση των διανυσμάτωνβ₁​, ​β₂, και _ρ.

Ενώ η εξίσωση μπορεί να φαίνεται παρόμοια με την ηλεκτρική δύναμη σε φορτισμένα σωματίδια, λάβετε υπόψη ότι η μαγνητική δύναμη χρησιμοποιείται μόνο για κινούμενα σωματίδια. Η μαγνητική δύναμη επίσης δεν αντιστοιχεί σε έναμαγνητικό μονόπολο, ένα υποθετικό σωματίδιο που θα είχε μόνο έναν πόλο, βόρεια ή νότια, ενώ ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια και αντικείμενα μπορούν να φορτιστούν σε μία μόνο κατεύθυνση, θετικά ή αρνητικά. Αυτοί οι παράγοντες προκαλούν τις διαφορές στις μορφές δύναμης για μαγνητισμό και ηλεκτρισμό.

Οι θεωρίες του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού δείχνουν επίσης, εάν είχατε δύο μαγνητικά μονοπόλια που δεν κινούνταν, θα εξακολουθούσαν να βιώνουν μια δύναμη με τον ίδιο τρόπο μια ηλεκτρική δύναμη θα συνέβαινε μεταξύ δύο φορτισμένων σωματίδια.

Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν έχουν δείξει πειραματικά στοιχεία για να συμπεράνουν με βεβαιότητα και εμπιστοσύνη ότι υπάρχουν μαγνητικά μονοπόλια. Εάν αποδειχθεί ότι υπάρχουν, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να βρουν ιδέες για «μαγνητικό φορτίο» με τον ίδιο τρόπο που είναι τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια.

Εάν έχετε κατά νου την κατεύθυνση των διανυσμάτωνβ₁​, ​β₂, καιρ, μπορείτε να προσδιορίσετε εάν η δύναμη μεταξύ τους είναι ελκυστική ή αποκρουστική. Για παράδειγμα, εάν έχετε ένα σωματίδιο που κινείται προς τα εμπρός στην κατεύθυνση x με ταχύτηταβ, τότε αυτή η τιμή πρέπει να είναι θετική. Εάν κινείται προς την άλλη κατεύθυνση, τότε η τιμή v πρέπει να είναι αρνητική.

Αυτά τα δύο σωματίδια απωθούν το ένα το άλλο εάν οι μαγνητικές δυνάμεις που καθορίζονται από τα αντίστοιχα μαγνητικά τους πεδία μεταξύ τους ακυρώνουν το ένα το άλλο, δείχνοντας σε διαφορετικές κατευθύνσεις μακριά το ένα από το άλλο. Εάν οι δύο δυνάμεις δείχνουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις η μία προς την άλλη, η μαγνητική δύναμη είναι ελκυστική. Η μαγνητική δύναμη προκαλείται από αυτές τις κινήσεις σωματιδίων.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτές τις ιδέες για να δείξετε πώς λειτουργεί ο μαγνητισμός σε καθημερινά αντικείμενα. Για παράδειγμα, εάν τοποθετήσετε έναν μαγνήτη νεοδυμίου κοντά σε ένα χάλυβα κατσαβίδι και τον μετακινήσετε προς τα πάνω, κάτω από τον άξονα και στη συνέχεια αφαιρέσετε τον μαγνήτη, το κατσαβίδι μπορεί να διατηρήσει κάποιο μαγνητισμό μέσα σε αυτό. Αυτό συμβαίνει λόγω των αλληλεπιδρώντων μαγνητικών πεδίων μεταξύ των δύο αντικειμένων που δημιουργούν την ελκυστική δύναμη όταν ακυρώνουν το ένα το άλλο.

Αυτό αποκρούει και προσελκύει τον ορισμό που ισχύει σε όλες τις χρήσεις μαγνητών και μαγνητικών πεδίων. Παρακολουθήστε ποιες κατευθύνσεις αντιστοιχούν στην απώθηση και την έλξη.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Για ρεύματα, τα οποία μετακινούνται φορτία μέσω καλωδίων, η μαγνητική δύναμη μπορεί να προσδιοριστεί ως ελκυστική ή απωθητικό με βάση τις θέσεις των καλωδίων σε σχέση μεταξύ τους και την κατεύθυνση του ρεύματος κινήσεις. Για ρεύματα σε κυκλικά καλώδια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το δεξί για να προσδιορίσετε πώς εμφανίζονται τα μαγνητικά πεδία.

Ο δεξιός κανόνας για ρεύματα σε βρόχους καλωδίων σημαίνει ότι, αν τοποθετήσετε τα δάχτυλα του δεξιού σας χτυπημένου στην κατεύθυνση ενός βρόχου σύρματος, μπορείτε να προσδιορίσετε την κατεύθυνση του προκύπτοντος μαγνητικού πεδίου και τη μαγνητική ροπή, όπως φαίνεται στο διάγραμμα πάνω από. Αυτό σας επιτρέπει να προσδιορίσετε πώς οι βρόχοι είναι ελκυστικοί ή αποκρουστικοί μεταξύ τους.

Ο δεξί κανόνας σάς επιτρέπει επίσης να καθορίσετε την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου που εκπέμπει ρεύμα σε ένα ευθύ σύρμα. Σε αυτήν την περίπτωση, δείχνετε το δεξί αντίχειρά σας προς την κατεύθυνση του ρεύματος μέσω του ηλεκτρικού καλωδίου. Η κατεύθυνση του τρόπου με τον οποίο το δάχτυλό του δεξιού χεριού κυρτά καθορίζει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου;

Από αυτά τα παραδείγματα μαγνητικού πεδίου που προκαλούνται από ρεύματα, μπορείτε να προσδιορίσετε τη μαγνητική δύναμη μεταξύ δύο καλωδίων ως αποτέλεσμα αυτών των γραμμών μαγνητικού πεδίου.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Τα μαγνητικά πεδία μεταξύ βρόχων καλωδίων ρεύματος είναι είτε ελκυστικά είτε αποκρουστικά ανάλογα με την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος και την κατεύθυνση των μαγνητικών πεδίων που προκύπτουν από αυτά. Η μαγνητική διπολική ροπή είναι η δύναμη και ο προσανατολισμός ενός μαγνητικού που παράγει το μαγνητικό πεδίο. Στο παραπάνω διάγραμμα, η προκύπτουσα έλξη ή απώθηση δείχνει αυτήν την εξάρτηση.

Μπορείτε να φανταστείτε τις γραμμές μαγνητικού πεδίου που εκπέμπουν αυτά τα ηλεκτρικά ρεύματα ως καμπύλες γύρω από κάθε τμήμα του τρέχοντος καλωδίου. Εάν αυτές οι κατευθύνσεις βρόχου μεταξύ των δύο καλωδίων είναι αντίθετες προς το ένα το άλλο, τα καλώδια θα προσελκύσουν το ένα το άλλο. Εάν βρίσκονται σε αντίθετες κατευθύνσεις μεταξύ τους, οι βρόχοι θα απωθούν ο ένας τον άλλον.

οΕξίσωση Lorentzμετρά τη μαγνητική δύναμη μεταξύ ενός σωματιδίου σε κίνηση σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η εξίσωση είναι

στο οποίοφάείναι η μαγνητική δύναμη,εείναι το φορτίο του φορτισμένου σωματιδίου,μιείναι το ηλεκτρικό πεδίο,βείναι η ταχύτητα του σωματιδίου, καισιείναι το μαγνητικό πεδίο. Στην εξίσωση, το x υποδηλώνει το διασταυρούμενο προϊόν μεταξύqvκαισι​.

Το σταυρό προϊόν μπορεί να εξηγηθεί με γεωμετρία και μια άλλη έκδοση του δεξιού κανόνα. Αυτή τη φορά, χρησιμοποιείτε τον δεξιό κανόνα ως κανόνα για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των διανυσμάτων στο εγκάρσιο προϊόν. Εάν το σωματίδιο κινείται προς μια κατεύθυνση που δεν είναι παράλληλη με το μαγνητικό πεδίο, το σωματίδιο θα απωθείται από αυτό.

Η εξίσωση Lorentz δείχνει τη θεμελιώδη σύνδεση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Αυτό θα οδηγούσε σε ιδέες ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και ηλεκτρομαγνητικής δύναμης που αντιπροσώπευαν τόσο τα ηλεκτρικά όσο και τα μαγνητικά συστατικά αυτών των φυσικών ιδιοτήτων.

Ο δεξί κανόνας σας λέει ότι το προϊόν μεταξύ δύο διανυσμάτων,ένακαισι, είναι κάθετο σε αυτά εάν δείχνετε το δεξί σας δείκτη προς την κατεύθυνση τουσικαι το δεξί μεσαίο δάχτυλό σας προς την κατεύθυνσηένα. Ο αντίχειρας σας θα δείχνει προς την κατεύθυνσηντο, το προκύπτον διάνυσμα από το εγκάρσιο προϊόν τουένακαισι. Το διάνυσμαντοέχει μέγεθος που δίνεται από την περιοχή του παραλληλόγραμμου που διανύειένακαισισπιθαμή.

•••Σουντ Χουσεΐν Άθερ

Το εγκάρσιο προϊόν εξαρτάται από τη γωνία μεταξύ των δύο φορέων καθώς αυτό καθορίζει την περιοχή του παραλληλόγραμμου που εκτείνεται μεταξύ των δύο φορέων. Ένα εγκάρσιο προϊόν για δύο φορείς μπορεί να προσδιοριστεί ως

για κάποια γωνίαθμεταξύ διανυσμάτωνένακαισι,έχοντας κατά νου ότι δείχνει προς την κατεύθυνση που δίνεται από τον δεξιό κανόνα μεταξύένακαισι​.

Δύο βόρειοι πόλοι απωθούν ο ένας τον άλλον, και δύο νότιοι πόλοι θα απωθούν ο ένας τον άλλον, όπως ακριβώς όπως τα ηλεκτρικά φορτία απωθούν μεταξύ τους και τα αντίθετα φορτία προσελκύουν ο ένας τον άλλον. Η μαγνητική πυξίδα βελόνας μιας πυξίδας κινείται με ροπή, η περιστροφική δύναμη ενός σώματος σε κίνηση. Μπορείτε να υπολογίσετε αυτήν τη ροπή χρησιμοποιώντας ένα εγκάρσιο προϊόν της περιστροφικής δύναμης, ροπής, ως αποτέλεσμα της μαγνητικής ροπής με το μαγνητικό πεδίο.

Σε αυτήν την περίπτωση, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το "tau"

όπουΜείναι η μαγνητική διπολική ροπή,σιείναι το μαγνητικό πεδίο καιθείναι η γωνία μεταξύ αυτών των δύο διανυσμάτων. Εάν καθορίσετε πόση μαγνητική δύναμη οφείλεται στην περιστροφή ενός αντικειμένου σε ένα μαγνητικό πεδίο, αυτή η τιμή είναι η ροπή. Μπορείτε να προσδιορίσετε είτε τη μαγνητική ροπή είτε τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου.

Επειδή μια βελόνα πυξίδας ευθυγραμμίζεται με το μαγνητικό πεδίο της Γης, θα δείχνει προς τα βόρεια, διότι η ευθυγράμμιση με αυτόν τον τρόπο είναι η χαμηλότερη ενεργειακή της κατάσταση. Αυτό είναι όπου η μαγνητική ροπή και το μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους και η γωνία μεταξύ τους είναι 0 °. Είναι η πυξίδα σε ηρεμία αφού έχουν ληφθεί υπόψη όλες οι άλλες δυνάμεις που μετακινούν την πυξίδα. Μπορείτε να προσδιορίσετε την ισχύ αυτής της περιστροφικής κίνησης χρησιμοποιώντας ροπή.

Ένα μαγνητικό πεδίο προκαλεί στην ύλη να δείξει μαγνητικές ιδιότητες, ειδικά μεταξύ στοιχείων όπως το κοβάλτιο και ο σίδηρος που έχουν αζεύγη ηλεκτρόνια που αφήνουν τα φορτία να κινούνται και να δημιουργούνται μαγνητικά πεδία. Οι μαγνήτες που είτε ταξινομούνται ως παραμαγνητικοί είτε διαμαγνητικοί σάς επιτρέπουν να προσδιορίσετε εάν μια μαγνητική δύναμη είναι ελκυστική ή αποκρουστική από τους πόλους του μαγνήτη.

Οι διαμαγνήτες δεν έχουν ή μερικά ζεύγη ηλεκτρόνια και δεν μπορούν να αφήσουν τα φορτία να ρέουν ελεύθερα τόσο εύκολα όσο άλλα υλικά. Απωθούνται από μαγνητικά πεδία. Οι παραμαγνήτες έχουν ζεύγη ηλεκτρόνια για να αφήσουν τη ροή του φορτίου και, ως εκ τούτου, προσελκύονται σε μαγνητικά πεδία. Για να προσδιορίσετε εάν ένα υλικό είναι διαμαγνητικό ή παραμαγνητικό, προσδιορίστε πώς τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα τροχιακά με βάση την ενέργειά τους σε σχέση με το υπόλοιπο άτομο.

Βεβαιωθείτε ότι τα ηλεκτρόνια πρέπει να καταλαμβάνουν κάθε τροχιακό με ένα μόνο ηλεκτρόνιο προτού τα τροχιακά έχουν δύο ηλεκτρόνια. Εάν καταλήξετε σε αζεύγη ηλεκτρόνια, όπως συμβαίνει με το οξυγόνο O₂, το υλικό είναι παραμαγνητικό. Διαφορετικά, είναι διαγνωστικό, όπως το Ν₂. Μπορείτε να φανταστείτε αυτήν την ελκυστική ή απωθητική δύναμη ως την αλληλεπίδραση του ενός μαγνητικού διπόλου με το άλλο.

Η πιθανή ενέργεια ενός διπόλου σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δίνεται από το προϊόν κουκίδων μεταξύ της μαγνητικής ροπής και του μαγνητικού πεδίου. Αυτή η πιθανή ενέργεια είναι

για τη γωνίαθμεταξύ m και B. Το προϊόν κουκκίδων μετρά το κλιμακωτό άθροισμα που προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό των συνιστωσών x ενός διανύσματος στα στοιχεία x ενός άλλου, ενώ κάνει το ίδιο για τα συστατικά y.

Για παράδειγμα, αν είχατε φορέαa = 2i + 3jκαιb = 4i + 5j, το προκύπτον τελικό προϊόν των δύο διανυσμάτων θα είναι24 + 35 = 23. Το σύμβολο μείον στην εξίσωση για πιθανή ενέργεια υποδηλώνει ότι το δυναμικό ορίζεται ως αρνητικό για υψηλότερες πιθανές ενέργειες μαγνητικής δύναμης.