Voit joskus nähdä magneetit karkottavan toisiaan, ja toisinaan nähdä niiden houkuttelevan toisiaan. Muodon ja suunnan muuttaminen kahden eri magneetin välillä voi muuttaa tapaa, jolla ne joko houkuttelevat tai hylkäävät toisiaan.
Magneettisten materiaalien yksityiskohtaisempi tutkiminen voi antaa sinulle paremman käsityksen magneetin työntövoiman toiminnasta. Näiden esimerkkien avulla näet kuinka vivahteikkaita ja luovia magnetismin teoriat ja tiede voivat olla.
Magneetin karkottava voima
Vastakohdat vetävät puoleensa. Selittääkseen, miksi magneetit hylkivät toisiaan, magneettin pohjoispää houkuttelee toisen magneetin eteläpuolelle. Kahden magneetin pohjois- ja pohjoispäät sekä kahden magneetin etelä- ja eteläpäät karkottavat toisiaan. Magneettinen voima on perusta sähkömoottoreille ja houkutteleville magneeteille käytettäväksi lääketieteessä, teollisuudessa ja tutkimuksessa.
Ymmärtääksemme kuinka tämä hylkivä voima toimii ja selittää miksi magneetit karkottavat toisiaan ja houkuttelevat sähköä, on tärkeää tutkia magneettisen voiman luonnetta ja monia muotoja, joita se esiintyy erilaisissa ilmiöissä fysiikka.
Magneettinen voima hiukkasille
Kahdelle liikkuvalle varautuneelle hiukkaselleq1jaq2ja vastaavat nopeudetv1jav2erotettu säteen vektorillar, niiden välinen magneettinen voima saadaanBiot-Savartin laki:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ kertaa (v_2 \ kertaa r)
jossa×tarkoittaaristituote, selitetään alla.μ0 = 12.57×10−7 H / m, joka on tyhjiön magneettisen läpäisevyyden vakio. Pitää mielessä| r |on säteen absoluuttinen arvo. Tämä voima riippuu hyvin läheisesti vektorien suunnastav1, v2ja r.
Vaikka yhtälö saattaa tuntua samanlaiselta kuin varautuneiden hiukkasten sähkövoima, pidä mielessä, että magneettista voimaa käytetään vain hiukkasten liikkumiseen. Magneettinen voima ei myöskään vastaa amagneettinen monopoli, hypoteettinen hiukkanen, jolla olisi vain yksi napa pohjoisessa tai etelässä, kun taas sähköisesti varautuneet hiukkaset ja esineet voidaan varata yhteen suuntaan, positiivinen tai negatiivinen. Nämä tekijät aiheuttavat eroja voimanmuodoissa magnetismille ja sähkölle.
Sähkön ja magnetismin teoriat osoittavat myös, jos sinulla olisi kaksi magneettista monopolia, jotka eivät liiku, he kokevat edelleen voiman samalla tavalla kuin sähkövoima tapahtuisi kahden varautuneen välillä hiukkasia.
Tutkijat eivät kuitenkaan ole osoittaneet mitään kokeellisia todisteita voidakseen päätellä varmuudella ja varmuudella magneettisten monopolien olemassaolosta. Jos käy ilmi, että niitä on olemassa, tutkijat voisivat keksiä ideoita "magneettisesta varauksesta" samalla tavalla kuin sähköisesti varatut hiukkaset.
Magnetismi hylkää ja houkuttelee määritelmää
Jos pidät mielessä vektorien suunnanv1, v2jar, voit määrittää, onko niiden välinen voima houkutteleva vai vastenmielinen. Esimerkiksi, jos hiukkanasi liikkuu eteenpäin x-suunnassa nopeudellav, tämän arvon on oltava positiivinen. Jos se liikkuu toiseen suuntaan, v-arvon on oltava negatiivinen.
Nämä kaksi hiukkaa hylkivät toisiaan, jos niiden välisten magneettikenttien määrittelemät magneettiset voimat kumoavat toisensa osoittamalla eri suuntiin poispäin toisistaan. Jos nämä kaksi voimaa osoittavat eri suuntiin toisiaan kohti, magneettinen voima on houkutteleva. Magneettisen voiman aiheuttavat nämä hiukkasten liikkeet.
Voit käyttää näitä ideoita osoittamaan, miten magnetismi toimii jokapäiväisissä esineissä. Esimerkiksi, jos sijoitat neodyymimagneetin teräsruuvimeisselin lähelle ja siirrät sitä ylös, alas akselille ja sitten irrotat magneetin, ruuvimeisselissä voi olla jonkin verran magneettisuutta. Tämä tapahtuu kahden objektin välisten vuorovaikutuksessa olevien magneettikenttien vuoksi, jotka luovat houkuttelevan voiman, kun ne kumoavat toisensa.
Tämä karkottaa ja houkuttelee määritelmää magneettien ja magneettikenttien kaikissa käyttötarkoituksissa. Pidä kirjaa siitä, mitkä suunnat vastaavat hylkäämistä ja vetovoimaa.
Johtimien välinen magneettinen voima
•••Syed Hussain Ather
Virroille, jotka liikkuvat varauksia johtojen kautta, magneettinen voima voidaan määrittää houkuttelevaksi tai vastenmielinen johtuen johtojen sijainnista toisiinsa nähden ja virran suuntaan liikkuu. Pyöreiden johtojen virroille voit käyttää oikeaa kättä määrittämään magneettikenttien syntymisen.
Oikeanpuoleinen sääntö lankasilmukoiden virroille tarkoittaa, että jos asetat oikean kätesi sormet käpristyneinä langansilmukan, voit määrittää tuloksena olevan magneettikentän suunnan ja magneettisen momentin, kuten kaaviossa esitetään edellä. Tämän avulla voit määrittää, kuinka silmukat ovat houkuttelevia tai vastenmielisiä toistensa välillä.
Oikeanpuoleisen säännön avulla voit myös määrittää magneettikentän suunnan, jonka suora lanka lähettää. Tässä tapauksessa osoitat oikean peukalon virran suuntaan sähköjohdon läpi. Oikean kätesi sormien käpristymisen suunta määrittää magneettikentän suunnan?
Näiden esimerkkien avulla magneettikentästä, jonka virrat aiheuttavat, voit määrittää kahden langan välisen magneettisen voiman tuloksena näiden magneettikentän viivojen muodostamisesta.
Sähkö hylkää ja houkuttele määritelmää
•••Syed Hussain Ather
Virtajohtojen silmukoiden väliset magneettikentät ovat joko houkuttelevia tai vastenmielisiä riippuen sähkövirran suunnasta ja niistä johtuvien magneettikenttien suunnasta. Magneettinen dipolimomentti on magneettikentän tuottavan magneetin vahvuus ja suunta. Edellä olevassa kaaviossa tuloksena oleva vetovoima tai vastenmielisyys osoittaa tämän riippuvuuden.
Voit kuvitella magneettikentän viivat, jotka nämä sähkövirrat antavat käpristyneinä nykyisen lankasilmukan jokaisen osan ympäri. Jos näiden kahden johtimen väliset silmukkasuunnat ovat vastakkaisiin suuntiin toisiaan kohti, johtimet houkuttelevat toisiaan. Jos he ovat vastakkaisiin suuntiin kaukana toisistaan, silmukat karkottavat toisiaan.
Magneetit hylkivät ja houkuttelevat sähköä
Lorentz-yhtälömittaa magneettikentässä liikkuvan hiukkasen välisen magneettisen voiman. Yhtälö on
F = qE + qv \ kertaa B
jossaFon magneettinen voima,qon varatun hiukkasen varaus,Eon sähkökenttä,von hiukkasen nopeus jaBon magneettikenttä. Yhtälössä x merkitsee välituotettaqvjaB.
Ristituote voidaan selittää geometrialla ja oikean käden säännön toisella versiolla. Tällä kertaa käytät oikeanpuoleista sääntöä vektorien suunnan määrittämiseksi ristituotteessa. Jos hiukkanen liikkuu suuntaan, joka ei ole magneettikentän suuntainen, se hylkii hiukkasen.
Lorentz-yhtälö osoittaa perustason yhteyden sähkön ja magneettisuuden välillä. Tämä johtaisi sähkömagneettisen kentän ja sähkömagneettisen voiman ideoihin, jotka edustavat sekä fysikaalisten ominaisuuksien sähköisiä että magneettisia komponentteja.
Risti Tuote
Oikean käden sääntö kertoo, että kahden vektorin ristitulo,ajab, on kohtisuora niihin nähden, jos osoitat oikean etusormesi suuntaanbja oikean keskisormesi suuntaana. Peukalosi osoittaa suuntaanc, saadun vektorin risteytyksestäajab. Vektoricon suuruusluokan, jonka antaa vektorien suuntainen pinta-alaajabjänneväli.
•••Syed Hussain Ather
Ristitulos riippuu kahden vektorin välisestä kulmasta, koska se määrittää näiden kahden vektorin välisen leveyssuunnan. Kahden vektorin ristitulo voidaan määrittää seuraavasti
a \ kertaa b = | a || b | \ sin {\ theta}
jossain kulmassaθvektorien välilläajab,pitäen mielessä, että se osoittaa oikeanpuoleisen säännön väliseen suuntaanajab.
Kompassin magneettinen voima
Kaksi pohjoisnavaa hylkää toisiaan, ja kaksi etelänavat myös hylkäävät toisiaan samalla tavalla kuin sähkövaraukset karkottavat toisiaan ja vastakkaiset varaukset houkuttelevat toisiaan. Kompassin magneettinen kompassineula liikkuu vääntömomentilla, liikkuvan ruumiin pyörimisvoimalla. Voit laskea tämän vääntömomentin käyttämällä pyörimisvoiman, momentin ristituloa magneettikentän aiheuttaman magneettisen momentin seurauksena.
Tässä tapauksessa voit käyttää "tau"
\ tau = m \ kertaa B = | m || B | \ sin {\ theta}
missämon magneettinen dipolimomentti,Bon magneettikenttä jaθon näiden kahden vektorin välinen kulma. Jos määrität, kuinka suuri osa magneettisesta voimasta johtuu kohteen pyörimisestä magneettikentässä, tämä arvo on vääntömomentti. Voit määrittää joko magneettisen momentin tai magneettikentän voiman.
Koska kompassineula kohdistuu maapallon magneettikentän kanssa, se osoittaa pohjoiseen, koska itsensä suuntaaminen tällä tavalla on sen alin energiatila. Tällöin magneettinen momentti ja magneettikenttä kohdistuvat toisiinsa ja niiden välinen kulma on 0 °. Kompassi on levossa sen jälkeen, kun kaikki muut kompassia liikkuvat voimat on otettu huomioon. Voit määrittää tämän pyörimisliikkeen voimakkuuden momentin avulla.
Magneetin karkottavan voiman havaitseminen
Magneettikenttä saa aineen näyttämään magneettisia ominaisuuksia, erityisesti sellaisten alkuaineiden kuten koboltin ja raudan joukossa, joissa on parittomia elektroneja, jotka antavat varausten liikkua ja magneettikenttiä. Magneetit, jotka on joko luokiteltu paramagneettisiksi tai diamagneettisiksi, antavat sinun määrittää, onko magneettinen voima houkutteleva vai hylkivä magneetin navoilla.
Timanttimagneeteissa ei ole lainkaan tai vain vähän parittomia elektroneja, eivätkä ne voi antaa varausten virrata vapaasti niin helposti kuin muut materiaalit. Ne hylkivät magneettikentät. Paramagneeteissa on parittomia elektroneja, jotka antavat varauksen virrata, ja siksi ne vetävät puoleensa magneettikentät. Sen selvittämiseksi, onko materiaali diamagneettista vai paramagneettista, määritä, kuinka elektronit miehittävät kiertoradat niiden energian perusteella muun atomin suhteen.
Varmista, että elektronien on täytettävä jokainen kiertorata vain yhdellä elektronilla, ennen kuin kiertoradoilla on kaksi elektronia. Jos päädyt parittamattomiin elektroneihin, kuten happi O: n tapauksessa2, materiaali on paramagneettista. Muuten se on diamagneettinen, kuten N2. Voit kuvitella tämän houkuttelevan tai vastenmielisen voiman yhden magneettisen dipolin vuorovaikutuksena toisen kanssa.
Dipolin potentiaalienergia ulkoisessa magneettikentässä saadaan magneettimomentin ja magneettikentän välisestä pistetuloksesta. Tämä potentiaalinen energia on
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
kulmalleθvälillä m ja B. Pistetulo mittaa skalaarisen summan, joka saadaan kertomalla yhden vektorin x komponentit toisen x komponentteihin samalla kun tehdään sama y-komponenttien kohdalla.
Esimerkiksi, jos sinulla oli vektoria = 2i + 3jjab = 4i + 5j, kahden vektorin tuloksena oleva pistetulo olisi24 + 35 = 23. Potentiaalienergian yhtälön miinusmerkki osoittaa, että potentiaali määritellään negatiiviseksi magneettisen voiman suuremmille potentiaalienergioille.