Mõnikord võite näha, kuidas magnetid üksteist tõrjuvad, ja teinekord näete, kuidas nad üksteist tõmbavad. Kuju ja orientatsiooni muutmine kahe erineva magneti vahel võib muuta nende üksteise ligimeelitamise või tõrjumise viisi.
Magnetmaterjalide üksikasjalikum uurimine võib anda teile parema ülevaate magneti tõukejõu toimimisest. Nende näidete kaudu näete, kui nüansirikkad ja loovad võivad olla magnetismi teooriad ja teadus.
Magneti tõrjuv jõud
Vastandid tõmbuvad. Selgitamaks, miks magnetid üksteist tõrjuvad, tõmbub magneti põhjaots teise magnetiga lõunasse. Kahe magneti põhja- ja põhjaotsad ning kahe magneti lõuna- ja lõpuotsad tõrjuvad üksteist. Magnetjõud on elektrimootorite ja atraktiivsete magnetite alus meditsiinis, tööstuses ja teadustöös.
Et mõista, kuidas see tõrjuv jõud töötab, ja selgitada, miks magnetid üksteist tõrjuvad ja elektrit meelitavad, on oluline uurida magnetjõu olemust ja erinevaid vorme, mida see mitmesugustes nähtustes võtab Füüsika.
Magnetjõud osakestele
Kahe liikuva laenguga osakese jaoks
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ korda (v_2 \ korda r)
milles×tähistabristtoode, selgitatakse allpool.μ0 = 12.57×10−7 H / m, mis on vaakumi magnetiline läbitavuse konstant. Pea meeles| r |on raadiuse absoluutväärtus. See jõud sõltub väga täpselt vektorite suunastv1, v2ja r.
Kuigi võrrand võib tunduda sarnane laetud osakeste elektrilise jõuga, pidage meeles, et magnetjõudu kasutatakse ainult osakeste liikumiseks. Magnetjõud ei arvesta ka amagnetiline monopool, hüpoteetiline osake, millel oleks ainult üks poolus põhja või lõuna suunas, samal ajal kui elektriliselt laetud osakesi ja esemeid saab laadida ühes suunas, nii positiivses kui ka negatiivses suunas. Need tegurid põhjustavad magnetismi ja elektri jõuvormide erinevusi.
Elektri ja magnetismi teooriad näitavad ka seda, et kui teil oli kaks magnetilist monopoli, mis ei liikunud, nad kogeksid ikkagi jõudu samamoodi nagu elektriline jõud kahe laetud vahel osakesed.
Kuid teadlased ei ole näidanud ühtegi eksperimentaalset tõendusmaterjali, et järeldada kindlalt ja kindlalt, et magnetilised monopolid on olemas. Kui selgub, et need on olemas, võiksid teadlased pakkuda ideid "magnetlaengust" samamoodi nagu elektriliselt laetud osakesed.
Magnetism tõrjub ja meelitab definitsiooni
Kui peate silmas vektorite suundav1, v2jar, saate kindlaks teha, kas nende omavaheline jõud on atraktiivne või tõrjuv. Näiteks kui teil on osake, mis liigub kiirusega x-suunas edasiv, siis peab see väärtus olema positiivne. Kui see liigub teises suunas, peab v väärtus olema negatiivne.
Need kaks osakest tõrjuvad teineteist, kui nende omavaheliste magnetväljade poolt määratud magnetjõud tühistavad üksteise erinevates suundades üksteisest eemale osutades. Kui need kaks jõudu osutavad teineteise suhtes erinevates suundades, on magnetjõud atraktiivne. Magnetjõud on põhjustatud osakeste nendest liikumistest.
Nende ideede abil saate näidata, kuidas magnetism igapäevastes objektides töötab. Näiteks kui asetate neodüümmagnet terasest kruvikeeraja lähedale ja liigutate seda üles, alla võlli ja seejärel eemaldate magneti, võib kruvikeeraja säilitada selles veidi magnetismi. See juhtub tänu kahe objekti vastastikmõjus magnetväljadele, mis tekitavad üksteist tühistades atraktiivse jõu.
See tõrjub ja meelitab määratlust kõigi magnetite ja magnetväljade kasutamisel. Jälgige, millised suunad vastavad tõrjumisele ja atraktiivsusele.
Magnetjõud juhtmete vahel
•••Syed Hussain Ather
Voolude puhul, mis juhivad laenguid juhtmete kaudu, saab magnetjõu määrata atraktiivseks või eemaletõukav, lähtudes juhtmete asukohast üksteise suhtes ja voolu suunast liigub. Ümmarguste juhtmete voolude korral saate parempoolse käega määrata, kuidas magnetväljad tekivad.
Parempoolne reegel juhtmete aasades olevate voolude jaoks tähendab seda, et kui asetate parema käe sõrmed kaardus suunas traadisilmusest saate määrata saadud magnetvälja suuna ja magnetmomendi, nagu on näidatud diagrammil ülal. See võimaldab teil kindlaks teha, kuidas silmused on üksteise jaoks atraktiivsed või eemaletõukavad.
Parema käe reegel võimaldab teil määrata ka sirge traadi voolu kiirgava magnetvälja suuna. Sellisel juhul suunate parema pöidla elektrijuhtme kaudu voolu suunas. Parema käe sõrmede lokkimise suund määrab magnetvälja suuna?
Nende voolude poolt indutseeritud magnetvälja näidete põhjal saate määrata kahe juhtme vahelise magnetjõu, mille tulemusena moodustuvad need magnetvälja jooned.
Elekter tõrjub ja meelitab definitsiooni
•••Syed Hussain Ather
Voolutraatide silmuste vahelised magnetväljad on kas atraktiivsed või tõrjuvad, sõltuvalt elektrivoolu suunast ja neist tulenevate magnetväljade suunast. Magnetdipoolmoment on magnetvälja tekitava magneti tugevus ja suund. Ülaltoodud diagrammil näitab saadud sõltuvus või tõrjumine seda sõltuvust.
Võite ette kujutada, et magnetvälja jooned, mida need elektrivoolud eraldavad, keerlevad voolutraadi iga silmuse ümber. Kui need kahe juhtme vahelised silmussuunad on vastassuunas, tõmbavad juhtmed üksteist ligi. Kui nad asuvad üksteisest vastassuunas, tõrjuvad silmused üksteist.
Magnetid tõrjuvad ja meelitavad elektrit
TheLorentzi võrrandmõõdab magnetjõudu magnetväljas liikuva osakese vahel. Võrrand on
F = qE + qv \ korda B
millesFon magnetjõud,qon laetud osakese laeng,Eon elektriväli,von osakese kiirus jaBon magnetväli. Võrrandis tähistab x vahelist ristproduktiqvjaB.
Risttoodet saab seletada geomeetria ja parema käe reegli teise versiooniga. Seekord kasutate ristproduktis vektorite suuna määramiseks reeglina parema käe reeglit. Kui osake liigub suunas, mis pole magnetväljaga paralleelne, tõrjub see osakese.
Lorentzi võrrand näitab põhilist seost elektri ja magnetismi vahel. See tooks kaasa ideed elektromagnetväljast ja elektromagnetilisest jõust, mis esindaksid nende füüsikaliste omaduste elektrilisi ja magnetilisi komponente.
Risttoote
Parempoolne reegel ütleb teile, et kahe vektori ristprodukt,ajabon nende suhtes risti, kui suunate parema nimetissõrme suunasbja parem keskmine sõrm suunasa. Teie pöial osutab suunasc, saadud ühendi ristproduktist saadud vektorajab. Vektorcon vektorite rööpküliku pindala poolt antud suurusjärkajabspan.
•••Syed Hussain Ather
Ristprodukt sõltub kahe vektori vahelisest nurgast, kuna see määrab kahe vektori vahel laiuva rööpküliku ala. Kahe vektori ristprodukti saab määrata järgmiselt
a \ korda b = | a || b | \ sin {\ theta}
mingi nurga jaoksθvektorite vahelajab,pidades seda silmas parempoolse reegli antud suundaajab.
Kompassi magnetjõud
Kaks põhjapoolust tõrjuvad üksteist ja ka kaks lõunapoolust tõrjuvad üksteist samamoodi nagu elektrilaengud tõrjuvad üksteist ja vastupidised laengud tõmbavad üksteist ligi. Kompassi magnetiline kompassinõel liigub pöördemomendiga, liikuva keha pöörlemisjõud. Selle pöördemomendi saate arvutada, kasutades magnetväljaga magnetmomendi tulemusena saadud pöörlemisjõu, pöördemomendi ristproduktit.
Sellisel juhul võite kasutada "tau"
\ tau = m \ korda B = | m || B | \ sin {\ theta}
kusmon magnetiline dipoolmoment,Bon magnetväli jaθon nende kahe vektori vaheline nurk. Kui määrate, kui suure osa magnetjõust põhjustab magnetväljas oleva objekti pöörlemine, on see väärtus pöördemoment. Saate määrata kas magnetmomendi või magnetvälja jõu.
Kuna kompassinõel joondub Maa magnetväljaga, osutab see põhja, sest enda joondamine on selle madalaim energiaolukord. See on koht, kus magnetmoment ja magnetväli joonduvad üksteisega ning nende vaheline nurk on 0 °. See on kompass puhkeasendis pärast seda, kui on arvestatud kõigi teiste kompassi ümber liikuvate jõududega. Selle pöördliikumise tugevust saate määrata pöördemomendi abil.
Magnetit tõrjuva jõu tuvastamine
Magnetväli põhjustab ainel magnetilisi omadusi, eriti selliste elementide hulgas nagu koobalt ja raud, millel on paardumata elektronid, mis lasevad laengutel liikuda ja tekivad magnetväljad. Kas magnetid, mis on klassifitseeritud paramagnetilisteks või diamagnetilisteks, võimaldavad teil otsustada, kas magnetiline jõud on magneti pooluste poolt atraktiivne või tõrjuv.
Diamagnetitel pole või on vähe paarimata elektrone ja need ei saa lasta laengutel vabalt voolata nii lihtsalt kui teistel materjalidel. Neid tõrjuvad magnetväljad. Paramagnetitel on paardumata elektronid, mis lasevad laengul voolata, ja seetõttu tõmbavad neid magnetväljad. Selleks, et teha kindlaks, kas materjal on diamagnetiline või paramagnetiline, tehke kindlaks, kuidas elektronid hõivavad orbitaale, lähtudes nende energiast ülejäänud aatomi suhtes.
Enne kui orbitaalidel on kaks elektroni, peavad elektronid hõivama iga orbiidi ainult ühe elektroniga. Kui teil on paarimata elektronid, nagu on hapniku O puhul2, materjal on paramagnetiline. Muidu on see diamagneetiline, nagu N2. Te võite seda atraktiivset või tõrjuvat jõudu ette kujutada ühe magnetdipooli vastasmõjuna teisega.
Dipooli potentsiaalse energia välises magnetväljas annab punktmoodul magnetmomendi ja magnetvälja vahel. See potentsiaalne energia on
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
nurga jaoksθm ja B vahel. Täpp-korrutis mõõdab skalaarsummat, mis saadakse ühe vektori x komponentide korrutamisel teise x komponentidega, tehes sama y komponentide puhul.
Näiteks kui teil oli vektora = 2i + 3jjab = 4i + 5j, oleks kahe vektori tulemuseks täpne korrutis24 + 35 = 23. Potentsiaalenergia võrrandi miinusmärk näitab, et magnetilise jõu kõrgemate potentsiaalsete energiate korral määratletakse potentsiaal negatiivsena.
