Kentät ovat kaikkialla ympärillämme. Olipa kyseessä maapallon massan aiheuttama painovoimakenttä vai varautuneiden hiukkasten, kuten elektronien, luomat sähkökentät, kaikkialla on näkymättömiä kenttiä, jotka edustavat potentiaalia ja näkymättömiä voimia, jotka pystyvät liikuttamaan esineitä sopivalla tavalla ominaisuudet.
Esimerkiksi alueen sähkökenttä tarkoittaa, että varattu esine voidaan ohjata alkuperäiseltä polulta, kun se tulee alueelle, ja maapallon massan aiheuttama painovoimakenttä pitää sinut tiukasti maan pinnalla, ellet tee työtä sen voittamiseksi vaikutus.
Magneettikentät ovat magneettisten voimien syy, ja kohteet, jotka kohdistavat magneettisia voimia muihin esineisiin, tekevät sen luomalla magneettikentän. Magneettikentät voidaan havaita taipumalla kompassineuloja, jotka ovat linjassa kenttäviivojen kanssa (neulan magneettinen pohjoinen osoittaa magneettista etelää kohti). Jos opiskelet sähköä ja magneettisuutta, lisää tietoa magneettikentistä ja magneettisesta voimasta on tärkeä askel matkallasi.
Mikä on magneettikenttä?
Fysiikassa yleensä kentät ovat vektoreita, joiden arvot ovat jokaisella avaruusalueella ja kertovat kuinka voimakas tai heikko vaikutus on siinä vaiheessa ja vaikutuksen suunta. Esimerkiksi massainen esine, kuten aurinko, luo painovoimakentän, ja voima vaikuttaa siihen muihin kohteisiin, joiden massa on tälle kentälle. Näin auringon painovoima pitää maapallon kiertoradalla sen ympärillä.
Kauempana aurinkokunnassa, kuten Uranuksen kiertoradalla, sama voima pätee, mutta vahvuus on paljon pienempi. Se on aina suunnattu suoraan aurinkoon; jos kuvitelet kokoelman aurinkoa ympäröiviä nuolia, jotka kaikki osoittavat sitä kohti, mutta pitemmillä pituuksilla lähellä etäisyyttä (voimakkaampi voima) ja pienemmät pituudet pitkillä etäisyyksillä (heikompi voima), olet pohjimmiltaan kuvitellut aurinkovoiman painovoimakentän järjestelmään.
Samoin kuin tämä, varauksella olevat objektit luovat sähkökenttiä ja liikkuvat varaukset syntyvätmagneettikentät, joka voi aiheuttaa magneettisen voiman lähellä olevaan varautuneeseen esineeseen tai muihin magneettisiin materiaaleihin.
Nämä kentät ovat muodoltaan hieman monimutkaisempia kuin painovoimakentät, koska niillä on silmukoitavia magneetteja kenttäviivat, jotka nousevat positiivisesta (tai pohjoisnavasta) ja päättyvät negatiiviseen (tai etelänavaan), mutta ne täyttävät saman rooli. Ne ovat kuin voimalinjoja, jotka kertovat, kuinka paikkaan sijoitettu esine käyttäytyy. Voit visualisoida tämän selvästi käyttämällä rautaviiloja, jotka ovat linjassa ulkoisen magneettikentän kanssa.
Magneettikentät ovataina dipolikentät, joten magneettisia monopoleja ei ole. Yleensä magneettikentät on esitetty kirjaimellaB, mutta jos magneettikenttä kulkee magneettisen materiaalin läpi, se voi polarisoitua ja tuottaa oman magneettikentän. Tämä toinen kenttä vaikuttaa ensimmäiseen kenttään, ja näiden kahden yhdistelmään viitataan kirjaimellaH, missä
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {ja} \ mu_m = K_m \ mu_0
μ: lla0 = 4π × 10−7 H / m (ts. Vapaan tilan magneettinen läpäisevyys) ja Km kyseessä olevan materiaalin suhteellinen läpäisevyys.
Tietyn alueen läpi kulkevan magneettikentän määrää kutsutaan magneettivuoksi. Magneettivuon tiheys liittyy paikalliseen kentän voimakkuuteen. Koska magneettikentät ovat aina dipolaarisia, suljetun pinnan läpi kulkeva nettomagneettivuo on 0. (Kaikki kentän linjat, jotka poistuvat pinnalta, syötä se välttämättä uudestaan, peruuttamalla.)
Yksiköt ja mittaus
Magneettikentän voimakkuuden SI-yksikkö on tesla (T), jossa:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Toinen laajalti käytetty magneettikentän voimakkuuden yksikkö on gauss (G), jossa:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla on melko iso yksikkö, joten monissa käytännön tilanteissa gauss on hyödyllisempi valinta - esimerkiksi a jääkaappimagneetin vahvuus on noin 100 G, kun taas maapallon magneettikenttä maan pinnalla on noin 0,5 G.
Magneettikenttien syyt
Sähkö ja magnetismi ovat pohjimmiltaan toisiinsa, koska liikkuvat varaukset synnyttävät magneettikenttiä (kuten sähkövirrat) tai muuttuvat sähkökentät, kun taas muuttuva magneettikenttä tuottaa sähköä ala.
Tankomagneetissa tai vastaavassa magneettikohteessa magneettikenttä johtuu useista magneettisista "domeeneista" kohdistuvat, jotka puolestaan syntyvät varattujen elektronien liikkeestä niiden ytimien ympärillä atomien. Nämä liikkeet tuottavat pieniä magneettikenttiä toimialueella. Useimmissa materiaaleissa verkkotunnukset kohdistuvat satunnaisesti ja peruuttavat toisensa, mutta joissakin materiaaleista, naapurialueiden magneettikentät kohdistuvat, ja tämä tuottaa suurempia mittoja magnetismi.
Maan magneettikenttä syntyy myös liikkuvalla varauksella, mutta tässä tapauksessa maapallon ydintä ympäröivän sulan kerroksen liike luo magneettikentän. Tämä selitetäändynamoteoria, joka kuvaa kuinka pyörivä, sähköisesti varautunut neste tuottaa magneettikentän. Maan ulompi ydin sisältää jatkuvasti liikkuvaa nestemäistä rautaa, jossa elektronit kulkevat nesteen läpi ja muodostavat magneettikentän.
Aurinko on myös magneettikenttä, ja selitys siitä, miten tämä toimii, on hyvin samanlainen. Auringon eri osien (ts. Nestemäisen materiaalin eri leveysasteilla) vaihtelevat pyörimisnopeudet johtavat kuitenkin kenttäviivoihin sekaantuminen ajan myötä sekä monet aurinkoon liittyvät ilmiöt, kuten aurinkokennot ja auringonpaikat sekä karkeasti 11 vuoden aurinko sykli. Auringolla on kaksi napaa, aivan kuten tankomagneetti, mutta auringon plasman liikkeet ja vähitellen lisääntyvä aurinkoaktiivisuus saavat magneettiset napat kääntymään 11 vuoden välein.
Magneettikentän kaavat
Liikkuvan varauksen erilaisista järjestelyistä johtuvat magneettikentät on johdettava erikseen, mutta on olemassa monia vakiokaavoja, joita voit käyttää, jotta sinun ei tarvitse "keksiä pyörää uudelleen" jokainen aika. Voit johtaa kaavat periaatteessa mihin tahansa liikkuvan varauksen järjestelyyn käyttämällä Biot-Savart -lakia tai Ampere-Maxwell-lakia. Tuloksena olevia kaavoja yksinkertaisille sähkövirran järjestelyille käytetään kuitenkin niin yleisesti ja lainataan, että voit yksinkertaisesti kohdella niitä "vakiokaavoina" sen sijaan, että ne johdettaisiin joka kerta Biot-Savart- tai Ampere-Maxwell-laista.
Suoraviivan magneettikenttä määritetään Amperen laista (Ampere-Maxwellin lain yksinkertaisempi muoto) seuraavasti:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Missäμ0 on määritelty aiemmin,Minäon virta ampeereina jaron etäisyys langasta, jota mittaat magneettikenttää.
Magneettikentän virtasilmukan keskellä antaa:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
MissäRon silmukan säde, ja muut symbolit ovat kuten aiemmin on määritelty.
Lopuksi solenoidin magneettikentän antaa:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
MissäNon käännösten lukumäärä jaLon solenoidin pituus. Solenoidin magneettikenttä on keskittynyt suurimmaksi osaksi kelan keskelle.
Esimerkkilaskelmat
Näiden (ja niiden kaltaisten) yhtälöiden oppiminen on tärkein asia, joka sinun on tehtävä laskettaessa magneettikenttää tai tuloksena oleva magneettinen voima, joten esimerkki niistä auttaa sinua ratkaisemaan sellaiset ongelmat, joihin todennäköisesti olet kohdata.
Mikä on pitkä suora johto, joka kuljettaa 5 ampeerin virtaa (ts. I = 5 A), mikä on magneettikentän voimakkuus 0,5 m päässä langasta?
Ensimmäisen yhtälön avulla I = 5 A ja r = 0,5 m saadaan:
\ begin {tasattu} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ teksti {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ teksti {T} \ loppu {tasattu}
Mikä on virtasilmukka, joka kantaa I = 10 A ja jonka säde on r = 0,2 m, mikä on magneettikenttä silmukan keskellä? Toinen yhtälö antaa:
\ begin {tasattu} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ teksti {m}} \\ & = 3,14 × 10 ^ {- 5} \ teksti {T} \ loppu {tasattu}
Mikä on magneettikentän voimakkuus keskellä solenoidille, jonka N = 15 kierrosta on L = 0,1 m ja jonka virta on 4 A?
Kolmas yhtälö antaa:
\ aloita {tasattu} 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 {tasattu}
Muut esimerkit magneettikentän laskemisesta saattavat toimia hieman eri tavalla - esimerkiksi kertomalla kenttä a: n keskellä solenoidi ja virta, mutta kysytään N / L-suhdetta - mutta niin kauan kuin tunnet yhtälöt, sinulla ei ole ongelmia vastaamalla niihin.