Väljad on kõikjal meie ümber. Kas gravitatsiooniväli on põhjustatud Maa massist või elektriväljad, mille tekitavad laetud osakesed, näiteks elektronid, kõikjal on nähtamatud väljad, mis tähistavad potentsiaale ja nähtamatuid jõude, mis on võimelised objekte sobivalt liigutama omadused.
Näiteks tähendab piirkonna elektriväli, et laetud objekti saab piirkonda sisenemisel oma esialgselt teelt kõrvale juhtida, ja Maa massist tingitud gravitatsiooniväli hoiab teid kindlalt Maa pinnal, kui te ei tee selle ületamiseks mingit tööd mõjutada.
Magnetväljad on magnetjõudude põhjustajad ja objektid, mis avaldavad magnetjõude teistele objektidele, teevad seda magnetvälja tekitades. Magnetvälju saab tuvastada kompassinõelte läbipaine abil, mis on rivis väljajoontega (nõelast magnetiline põhi on suunatud magnetilise lõuna suunas). Kui uurite elektrit ja magnetismi, on magnetväljade ja magnetjõu kohta lisateabe saamine teie reisi oluline samm.
Mis on magnetväli?
Füüsikas üldiselt on väljad vektorid, mille väärtused on igas ruumiruumis, mis ütlevad teile, kui tugev või nõrk on mõju selles punktis, ja efekti suuna. Näiteks massiga objekt, nagu ka päike, loob gravitatsioonivälja ja selle mõjul mõjutab jõud teisi selle välja sisenevaid massiga objekte. Nii hoiab päikese gravitatsiooniline tõmme Maa selle ümber orbiidil.
Kaugemal päikesesüsteemis, näiteks Uraani orbiidi ulatuses, kehtib sama jõud, kuid tugevus on palju väiksem. See on alati suunatud otse päikese poole; kui kujutate ette päikest ümbritsevat noolekogu, mis kõik on suunatud selle poole, kuid pikema pikkusega lähedalt (tugevam jõud) ja väiksemate pikkuste pikkade vahemaade korral (nõrgem jõud), olete põhimõtteliselt ette kujutanud gravitatsioonivälja Päikese süsteemi.
Samamoodi tekitavad laenguga objektid elektrivälju ja liikuvad laengud tekivadmagnetväljad, mis võib põhjustada läheduses asuva laetud objekti või muude magnetiliste materjalide magnetjõu.
Need väljad on kuju poolest veidi keerukamad kui gravitatsiooniväljad, kuna neil on magnetiline magnet väljajooned, mis väljuvad positiivsest (või põhjapoolusest) ja lõpevad negatiivsest (või lõunapoolusest), kuid täidavad sama põhijoone roll. Need on nagu jõujooned, mis ütlevad teile, kuidas mõnda asukohta paigutatud objekt käitub. Saate seda selgelt visualiseerida, kasutades rauast viile, mis joonduvad välise magnetväljaga.
Magnetväljad onalati dipoolväljad, nii et magnetilisi monopole pole. Üldiselt tähistatakse magnetvälju tähegaB, kuid kui magnetväli läbib magnetmaterjali, võib see polariseeruda ja tekitada oma magnetvälja. See teine väli aitab kaasa esimesele väljale ja nende kahe kombinatsioonile viidatakse tähegaH, kus
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {ja} \ mu_m = K_m \ mu_0
koos μ-ga0 = 4π × 10−7 H / m (st vaba ruumi magnetiline läbilaskvus) ja Km on kõnealuse materjali suhteline läbilaskvus.
Antud piirkonda läbiva magnetvälja hulka nimetatakse magnetvooks. Magnetvoo tihedus on seotud kohaliku väljatugevusega. Kuna magnetväljad on alati dipolaarsed, on suletud pinna läbiv magnetvoog 0. (Kõik väljajooned, mis väljuvad pinnalt, sisestage see tingimata uuesti, tühistades.)
Ühikud ja mõõtmine
Magnetvälja tugevuse SI ühik on tesla (T), kus:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Teine laialdaselt kasutatav magnetvälja tugevuse mõõtühik on gauss (G), kus:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla on üsna suur ühik, nii et paljudes praktilistes olukordades on gauss kasulikum valik - näiteks a külmkapimagneti tugevus on umbes 100 G, samas kui Maa magnetväli Maa pinnal on umbes 0,5 G.
Magnetväljade põhjused
Elekter ja magnetism on põhimõtteliselt põimunud, kuna magnetväljad tekivad liikuva laengu abil (nagu elektrivoolud) või muutuvad elektriväljad, samas kui muutuv magnetväli tekitab elektrivoolu valdkonnas.
Baarmagnetis või sarnases magnetobjektis tekib magnetväli mitmest magnetilisest „domeenist“ muutuvad joondatuks, mis on omakorda loodud laetud elektronide liikumisel nende tuumade ümber aatomid. Need liikumised tekitavad domeenis väikeseid magnetvälju. Enamikus materjalides on domeenid juhusliku joondusega ja tühistavad üksteise, kuid mõnes materjalide korral naaberdomeenide magnetväljad joonduvad ja see tekitab suuremahulisi mõõtmeid magnetism.
Maa magnetvälja tekitab ka liikuv laeng, kuid sel juhul tekitab magnetvälja Maa südamikku ümbritseva sula kihi liikumine. Seda seletataksedünamo teooria, mis kirjeldab, kuidas pöörlev elektriliselt laetud vedelik tekitab magnetvälja. Maa välimine südamik sisaldab pidevalt liikuvat vedelat rauda, kusjuures elektronid liiguvad läbi vedeliku ja tekitavad magnetvälja.
Päikesel on ka magnetväli ja selle toimimise selgitus on väga sarnane. Päikese eri osade (s.t. vedeliku sarnane materjal erinevatel laiuskraadidel) varieeruvad pöörlemiskiirused toovad aga välja aja jooksul sassi ajamine, samuti paljud päikesega seotud nähtused, nagu päikesepõletused ja päikeselaigud ning umbes 11-aastane päikese- tsükkel. Päikesel on kaks poolust, täpselt nagu vardamagnetil, kuid päikeseplasma liikumine ja järk-järgult suurenev päikese aktiivsus panevad magnetpoolused nihkuma iga 11 aasta tagant.
Magnetvälja valemid
Magnetväljad, mis tulenevad liikuva laengu erinevast paigutusest, tuleb tuletada individuaalselt, kuid on palju standardvalemeid, mida saate kasutada nii, et te ei peaks iga kord ratast uuesti leiutama aeg. Biot-Savarti seaduse või Ampere-Maxwelli seaduse abil saate tuletada valemid põhimõtteliselt mis tahes liikuva laengu korralduse kohta. Saadud elektrivoolu lihtsate korralduste valemeid kasutatakse aga nii sageli ja tsiteeritakse, et saate käsitleda neid lihtsalt "standardsete valemitena", mitte tuletada neid iga kord Biot-Savarti või Ampere-Maxwelli seadustest.
Sirgjoonelise voolu magnetväli määratakse Ampere'i seaduse (Ampere-Maxwelli seaduse lihtsam vorm) põhjal järgmiselt:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Kusμ0 on määratletud varem,Minaon vool amprites jaron kaugus traadist, mida mõõdate magnetvälja.
Magnetvälja vooluahela keskel annab:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
KusRon silmuse raadius ja muud sümbolid vastavad eelnevalt määratletule.
Lõpuks saadakse solenoidi magnetväli:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
KusNon pöörete arv jaLon solenoidi pikkus. Solenoidi magnetväli on suures osas koondunud mähise keskele.
Näite arvutused
Nende võrrandite (ja nende sarnaste) kasutamise õppimine on peamine, mida peate magnetvälja arvutamisel tegema või sellest tulenev magnetjõud, nii et igaühe näide aitab teil lahendada tõenäoliselt probleeme kohtumine.
Kui suur on 5-amprist voolu kandev sirge traat (st I = 5 A), milline on magnetvälja tugevus traadist 0,5 m kaugusel?
Esimese võrrandi I = 5 A ja r = 0,5 m kasutamisel saadakse:
\ begin {joondatud} 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} \ lõpp {joondatud}
Nüüd, kui vooluahel on I = 10 A ja raadiusega r = 0,2 m, siis milline on magnetväli aasa keskel? Teine võrrand annab:
\ begin {joondatud} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ text {m}} \\ & = 3,14 × 10 ^ {- 5} \ text {T} \ end {joondatud}
Lõpuks, kui N = 15 pöördepunkti L = 0,1 m pikkusel solenoidil, mille vool on 4 A, siis milline on magnetvälja tugevus keskel?
Kolmas võrrand annab:
\ begin {joondatud} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {turn}} {0.1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {joondatud}
Muud magnetvälja arvutuste näited võivad töötada veidi teisiti - näiteks öeldes teile a keskel asuva välja solenoid ja vool, kuid küsib N / L suhet - kuid seni, kuni olete võrranditega tuttav, pole teil probleeme neile vastates.
