Μαγνητικό πεδίο: Ορισμός, αιτίες, τύπος, μονάδες και μέτρηση (με παραδείγματα)

Τα πεδία είναι γύρω μας. Είτε πρόκειται για το βαρυτικό πεδίο που προκαλείται από τη μάζα της Γης είτε από τα ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούνται από φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, Υπάρχουν παντού αόρατα πεδία, που αντιπροσωπεύουν δυνατότητες και αόρατες δυνάμεις ικανές να μετακινούν αντικείμενα με κατάλληλο Χαρακτηριστικά.

Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρικό πεδίο σε μια περιοχή σημαίνει ότι ένα φορτισμένο αντικείμενο μπορεί να εκτραπεί από την αρχική του διαδρομή όταν εισέρχεται στην περιοχή και το βαρυτικό πεδίο λόγω της μάζας της Γης σας κρατά σταθερά στην επιφάνεια της Γης, εκτός εάν κάνετε κάποια εργασία για να ξεπεράσετε το επιρροή.

Τα μαγνητικά πεδία είναι η αιτία των μαγνητικών δυνάμεων και αντικείμενα που ασκούν μαγνητικές δυνάμεις σε άλλα αντικείμενα το κάνουν δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να ανιχνευθούν με εκτροπή των βελόνων πυξίδας που ευθυγραμμίζονται με γραμμές πεδίου (το μαγνητικό βόρειο τμήμα της βελόνας που δείχνει προς το μαγνητικό νότο). Εάν μελετάτε ηλεκτρισμό και μαγνητισμό, η εκμάθηση περισσότερων για τα μαγνητικά πεδία και τη μαγνητική δύναμη είναι ένα κρίσιμο βήμα στο ταξίδι σας.

Στη φυσική γενικά, τα πεδία είναι διανύσματα με τιμές σε κάθε περιοχή του χώρου που σας λένε πόσο ισχυρή ή αδύναμη είναι μια επίδραση σε αυτό το σημείο και την κατεύθυνση του αποτελέσματος. Για παράδειγμα, ένα αντικείμενο με μάζα, όπως ο ήλιος, δημιουργεί ένα βαρυτικό πεδίο και άλλα αντικείμενα με μάζα που εισέρχονται σε αυτό το πεδίο επηρεάζονται από μια δύναμη ως αποτέλεσμα. Έτσι η βαρυτική έλξη του ήλιου κρατά τη Γη σε τροχιά γύρω από αυτήν.

Μακρύτερα στο ηλιακό σύστημα, όπως στο εύρος της τροχιάς του Ουρανού, ισχύει η ίδια δύναμη, αλλά η ισχύς είναι πολύ χαμηλότερη. Πάντα κατευθύνεται κατευθείαν στον ήλιο. αν φανταστείτε μια συλλογή από βέλη που περιβάλλουν τον ήλιο, όλα στραμμένα προς αυτόν αλλά με μεγαλύτερα μήκη σε κοντινές αποστάσεις (ισχυρότερη δύναμη) και μικρότερα μήκη σε μεγάλες αποστάσεις (ασθενέστερη δύναμη), βασικά έχετε φανταστεί το βαρυτικό πεδίο στον ηλιακό Σύστημα.

Με τον ίδιο τρόπο, τα αντικείμενα με φόρτιση δημιουργούν ηλεκτρικά πεδία και δημιουργούνται κινούμενα φορτίαμαγνητικά πεδία, η οποία μπορεί να προκαλέσει μαγνητική δύναμη σε ένα κοντινό φορτισμένο αντικείμενο ή άλλα μαγνητικά υλικά.

Αυτά τα πεδία είναι λίγο πιο περίπλοκα όσον αφορά το σχήμα από τα βαρυτικά πεδία, δεδομένου ότι έχουν μαγνητικό βρόχο γραμμές πεδίου που προκύπτουν από το θετικό (ή βόρειο πόλο) και καταλήγουν στον αρνητικό (ή νότιο πόλο), αλλά γεμίζουν το ίδιο βασικό ρόλος. Είναι σαν γραμμές δύναμης, που σας λένε πώς θα συμπεριφέρεται ένα αντικείμενο που τοποθετείται σε μια τοποθεσία. Μπορείτε να το απεικονίσετε με σαφήνεια χρησιμοποιώντας σιδερένια νήματα, τα οποία θα ευθυγραμμιστούν με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Τα μαγνητικά πεδία είναιπάντα​ ​διπολικά πεδία, έτσι δεν υπάρχουν μαγνητικά μονοπόλια. Γενικά, τα μαγνητικά πεδία αντιπροσωπεύονται με το γράμμασι, αλλά εάν ένα μαγνητικό πεδίο διέρχεται από ένα μαγνητικό υλικό, αυτό μπορεί να γίνει πολωμένο και να δημιουργήσει το δικό του μαγνητικό πεδίο. Αυτό το δεύτερο πεδίο συμβάλλει στο πρώτο πεδίο και ο συνδυασμός των δύο αναφέρεται με το γράμμαΗ, όπου

με μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H / m (δηλαδή, η μαγνητική διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου) και K_Μ είναι η σχετική διαπερατότητα του εν λόγω υλικού.

Η ποσότητα του μαγνητικού πεδίου που διέρχεται από μια δεδομένη περιοχή ονομάζεται μαγνητική ροή. Η πυκνότητα μαγνητικής ροής σχετίζεται με την ισχύ του τοπικού πεδίου. Δεδομένου ότι τα μαγνητικά πεδία είναι πάντα διπολικά, η καθαρή μαγνητική ροή μέσω κλειστής επιφάνειας είναι 0. (Τυχόν γραμμές πεδίου που εξέρχονται από την επιφάνεια, εισάγετε απαραίτητα ξανά, ακυρώνοντας.)

Η μονάδα SI της ισχύος μαγνητικού πεδίου είναι η tesla (T), όπου:

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

Μια άλλη ευρέως χρησιμοποιούμενη μονάδα για ισχύ μαγνητικού πεδίου είναι το gauss (G), όπου:

1 gauss = 1 G = 10⁻⁴ Τ

Το tesla είναι μια αρκετά μεγάλη μονάδα, οπότε σε πολλές πρακτικές περιπτώσεις το gauss είναι μια πιο χρήσιμη επιλογή - για παράδειγμα, a ο μαγνήτης ψυγείου θα έχει ισχύ περίπου 100 G, ενώ το μαγνητικό πεδίο της Γης στην επιφάνεια της Γης είναι περίπου 0,5 G.

Ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός είναι ουσιαστικά αλληλένδετοι επειδή τα μαγνητικά πεδία παράγονται με κινούμενο φορτίο (όπως ηλεκτρικά ρεύματα) ή αλλαγή ηλεκτρικών πεδίων, ενώ ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ηλεκτρικό πεδίο.

Σε ένα μαγνήτη ράβδου ή παρόμοιο μαγνητικό αντικείμενο, το μαγνητικό πεδίο προκύπτει από διάφορα μαγνητικά «πεδία» να ευθυγραμμιστούν, τα οποία με τη σειρά τους δημιουργούνται από την κίνηση των φορτισμένων ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες τους άτομα. Αυτές οι κινήσεις παράγουν μικρά μαγνητικά πεδία σε μια περιοχή. Στα περισσότερα υλικά, οι τομείς θα έχουν τυχαία ευθυγράμμιση και θα ακυρώνονται μεταξύ τους, αλλά σε ορισμένα υλικά, τα μαγνητικά πεδία σε γειτονικούς τομείς ευθυγραμμίζονται και αυτό παράγει μεγαλύτερη κλίμακα μαγνητισμός.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης δημιουργείται επίσης με κινούμενη φόρτιση, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, η κίνηση του λιωμένου στρώματος που περιβάλλει τον πυρήνα της Γης δημιουργεί το μαγνητικό πεδίο. Αυτό εξηγείται απόθεωρία δυναμό, το οποίο περιγράφει πώς ένα περιστρεφόμενο, ηλεκτρικά φορτισμένο ρευστό δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. Ο εξωτερικός πυρήνας της Γης περιέχει συνεχώς κινούμενο υγρό σίδερο, με ηλεκτρόνια που διασχίζουν το υγρό και παράγουν το μαγνητικό πεδίο.

Ο ήλιος έχει επίσης μαγνητικό πεδίο και η εξήγηση για το πώς λειτουργεί αυτό είναι πολύ παρόμοια. Ωστόσο, οι ποικίλες ταχύτητες περιστροφής διαφορετικών τμημάτων του ήλιου (δηλαδή, το ρευστό υλικό σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη) οδηγεί στις γραμμές πεδίου να μπερδεύονται με την πάροδο του χρόνου, καθώς και πολλά φαινόμενα που σχετίζονται με τον ήλιο, όπως ηλιακές εκλάμψεις και κηλίδες του ήλιου, και τα περίπου 11 χρόνια ηλιακά κύκλος. Ο ήλιος έχει δύο πόλους, ακριβώς όπως ένας μαγνήτης ράβδου, αλλά οι κινήσεις του πλάσματος του ήλιου και η σταδιακά αυξανόμενη ηλιακή δραστηριότητα προκαλούν την ανατροπή των μαγνητικών πόλων κάθε 11 χρόνια.

Τα μαγνητικά πεδία λόγω διαφορετικών διατάξεων κινούμενου φορτίου πρέπει να προέρχονται ξεχωριστά, αλλά υπάρχουν πολλοί τυποποιημένοι τύποι που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε, ώστε να μην έχετε «επανεφεύρεση του τροχού» χρόνος. Μπορείτε να αντλήσετε τύπους για ουσιαστικά οποιαδήποτε ρύθμιση κινήσεων δαπανών χρησιμοποιώντας το νόμο Biot-Savart ή τον νόμο Ampere-Maxwell. Ωστόσο, οι προκύπτοντες τύποι για απλές ρυθμίσεις ηλεκτρικού ρεύματος χρησιμοποιούνται τόσο συχνά και αναφέρονται όσο μπορείτε απλώς να τους αντιμετωπίζετε ως «τυποποιημένους τύπους» αντί να τους προέρχονται από το νόμο Biot-Savart ή Ampere-Maxwell κάθε φορά.

Το μαγνητικό πεδίο ενός συνεχούς ρεύματος καθορίζεται από τον νόμο του Ampere (μια απλούστερη μορφή του νόμου Ampere-Maxwell) ως:

Οπουμ​₀ είναι όπως ορίστηκε νωρίτερα,Εγώείναι το ρεύμα σε ενισχυτές καιρείναι η απόσταση από το καλώδιο που μετράτε το μαγνητικό πεδίο.

Το μαγνητικό πεδίο στο κέντρο ενός τρέχοντος βρόχου δίνεται από:

ΟπουΡείναι η ακτίνα του βρόχου και τα άλλα σύμβολα είναι όπως ορίστηκαν προηγουμένως.

Τέλος, το μαγνητικό πεδίο μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας δίνεται από:

ΟπουΝείναι ο αριθμός στροφών καιμεγάλοείναι το μήκος του σωληνοειδούς. Το μαγνητικό πεδίο ενός σωληνοειδούς συγκεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στο κέντρο του πηνίου.

Η εκμάθηση να χρησιμοποιείτε αυτές τις εξισώσεις (και αυτές σαν αυτές) είναι το κύριο πράγμα που πρέπει να κάνετε κατά τον υπολογισμό ενός μαγνητικού πεδίου ή η προκύπτουσα μαγνητική δύναμη, οπότε ένα παράδειγμα καθενός θα σας βοηθήσει να αντιμετωπίσετε το είδος των προβλημάτων που είναι πιθανό να αντιμετωπίσετε συνάντηση.

Για ένα μακρύ ευθύ καλώδιο που φέρει ρεύμα 5-αμπέρ, (δηλαδή, I = 5 A), ποια είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου 0,5 m μακριά από το καλώδιο;

Η χρήση της πρώτης εξίσωσης με I = 5 A και r = 0,5 m δίνει:

Τώρα για έναν τρέχοντα βρόχο που φέρει I = 10 A και με ακτίνα r = 0,2 m, ποιο είναι το μαγνητικό πεδίο στο κέντρο του βρόχου; Η δεύτερη εξίσωση δίνει:

Τέλος, για ένα σωληνοειδές με N = 15 στροφές σε μήκος L = 0,1 m, με ρεύμα 4 A, ποια είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο κέντρο;

Η τρίτη εξίσωση δίνει:

Άλλα παραδείγματα υπολογισμών μαγνητικού πεδίου μπορεί να λειτουργούν λίγο διαφορετικά - για παράδειγμα, λέγοντας το πεδίο στο κέντρο του a σωληνοειδές και το τρέχον, αλλά ζητώντας την αναλογία N / L - αλλά όσο είστε εξοικειωμένοι με τις εξισώσεις, δεν θα έχετε προβλήματα απαντώντας τους.