Vous pouvez parfois voir des aimants se repousser, et d'autres fois les voir s'attirer. Changer la forme et l'orientation entre deux aimants différents peut changer la façon dont ils s'attirent ou se repoussent.
Une étude plus détaillée des matériaux magnétiques peut vous donner une meilleure idée du fonctionnement de la force de répulsion de l'aimant. À travers ces exemples, vous pouvez voir à quel point les théories et la science du magnétisme peuvent être nuancées et créatives.
La force de répulsion d'un aimant
Les contraires s'attirent. Pour expliquer pourquoi les aimants se repoussent, une extrémité nord d'un aimant sera attirée au sud d'un autre aimant. Les extrémités nord et nord de deux aimants ainsi que les extrémités sud et sud de deux aimants se repousseront. La force magnétique est la base des moteurs électriques et des aimants attrayants utilisés en médecine, dans l'industrie et dans la recherche.
Pour comprendre comment fonctionne cette force répulsive et expliquer pourquoi les aimants se repoussent et attirent l'électricité, il est important d'étudier la nature de la force magnétique et les nombreuses formes qu'elle prend dans divers phénomènes dans la physique.
Force magnétique sur les particules
Pour deux particules chargées en mouvement avec des chargesq1etq2et vitesses respectivesv1etv2séparés par un rayon vecteurr, la force magnétique entre eux est donnée par leLoi Biot-Savart:
F=\frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2}v_1\times (v_2\times r)
dans lequel×désigne leproduit croisé, expliqué ci-dessous.μ0 = 12.57×10−7 H/m, qui est la constante de perméabilité magnétique pour le vide. Gardez à l'esprit|r|est la valeur absolue du rayon. Cette force dépend très étroitement de la direction des vecteursv1, v2, et r.
Bien que l'équation puisse sembler similaire à la force électrique sur les particules chargées, gardez à l'esprit que la force magnétique n'est utilisée que pour les particules en mouvement. La force magnétique ne tient pas non plus compte d'unmonopôle magnétique, une particule hypothétique qui n'aurait qu'un seul pôle, nord ou sud, tandis que les particules et les objets chargés électriquement peuvent être chargés dans une seule direction, positive ou négative. Ces facteurs causent les différences dans les formes de force pour le magnétisme et pour l'électricité.
Les théories de l'électricité et du magnétisme montrent également que si vous aviez deux monopôles magnétiques qui ne bougeaient pas, ils subiraient toujours une force de la même manière qu'une force électrique se produirait entre deux charges particules.
Cependant, les scientifiques n'ont montré aucune preuve expérimentale permettant de conclure avec certitude et confiance à l'existence de monopôles magnétiques. S'il s'avère qu'elles existent, les scientifiques pourraient proposer des idées de "charge magnétique" de la même manière que les particules chargées électriquement.
Le magnétisme repousse et attire la définition
Si vous gardez à l'esprit la direction des vecteursv1, v2, etr, vous pouvez déterminer si la force entre eux est attractive ou répulsive. Par exemple, si vous avez une particule se déplaçant vers l'avant dans la direction x avec une vitessev, alors cette valeur doit être positive. S'il se déplace dans l'autre sens, la valeur v doit être négative.
Ces deux particules se repoussent si les forces magnétiques déterminées par leurs champs magnétiques respectifs entre elles s'annulent en pointant dans des directions différentes l'une de l'autre. Si les deux forces se dirigent dans des directions différentes l'une vers l'autre, la force magnétique est attractive. La force magnétique est causée par ces mouvements de particules.
Vous pouvez utiliser ces idées pour montrer comment le magnétisme fonctionne dans les objets du quotidien. Par exemple, si vous placez un aimant en néodyme près d'un tournevis en acier et le déplacez vers le haut, vers le bas de l'arbre, puis retirez l'aimant, le tournevis peut conserver un certain magnétisme à l'intérieur. Cela se produit en raison de l'interaction des champs magnétiques entre les deux objets qui créent la force d'attraction lorsqu'ils s'annulent.
Cette définition de repousser et d'attirer est valable dans toutes les utilisations des aimants et des champs magnétiques. Gardez une trace des directions qui correspondent à la répulsion et à l'attraction.
Force magnétique entre les fils
•••Syed Hussain Ather
Pour les courants, qui déplacent des charges à travers des fils, la force magnétique peut être déterminée comme attractive ou répulsif en fonction de l'emplacement des fils les uns par rapport aux autres et de la direction du courant se déplace. Pour les courants dans les fils circulaires, vous pouvez utiliser la main droite pour déterminer comment les champs magnétiques émergent.
La règle de la main droite pour les courants dans les boucles de fils signifie que, si vous placez les doigts de votre main droite enroulés dans la direction d'une boucle de fil, vous pouvez déterminer la direction du champ magnétique résultant et le moment magnétique, comme indiqué dans le diagramme dessus. Cela vous permet de déterminer à quel point les boucles sont attrayantes ou répulsives entre elles.
La règle de droite vous permet également de déterminer la direction du champ magnétique émis par le courant dans un fil droit. Dans ce cas, vous pointez votre pouce droit dans la direction du courant à travers le fil électrique. La direction dans laquelle les doigts de votre main droite s'enroulent détermine la direction du champ magnétique ?
A partir de ces exemples de champ magnétique induit par des courants, vous pouvez déterminer la force magnétique entre deux fils à la suite de ces lignes de champ magnétique.
Définition de repousser et d'attirer l'électricité
•••Syed Hussain Ather
Les champs magnétiques entre les boucles de fils de courant sont soit attractifs soit répulsifs selon le sens du courant électrique et le sens des champs magnétiques qui en résultent. Le moment dipolaire magnétique est la force et l'orientation d'un aimant qui produit le champ magnétique. Dans le diagramme ci-dessus, l'attraction ou la répulsion résultante montre cette dépendance.
Vous pouvez imaginer les lignes de champ magnétique que ces courants électriques dégagent en s'enroulant autour de chaque partie de la boucle de fil de courant. Si ces directions de boucle entre les deux fils sont dans des directions opposées l'une vers l'autre, les fils s'attirent. S'ils sont dans des directions opposées l'un de l'autre, les boucles se repousseront.
Les aimants repoussent et attirent l'électricité
leéquation de Lorentzmesure la force magnétique entre une particule en mouvement dans un champ magnétique. L'équation est
F=qE+qv\fois B
dans lequelFest la force magnétique,qest la charge de la particule chargée,Eest le champ électrique,vest la vitesse de la particule, etBest le champ magnétique. Dans l'équation, x désigne le produit croisé entreqvetB.
Le produit croisé peut être expliqué avec la géométrie et une autre version de la règle de la main droite. Cette fois, vous utilisez la règle de droite comme règle pour déterminer la direction des vecteurs dans le produit vectoriel. Si la particule se déplace dans une direction qui n'est pas parallèle au champ magnétique, la particule sera repoussée par celui-ci.
L'équation de Lorentz montre le lien fondamental entre l'électricité et le magnétisme. Cela conduirait à des idées de champ électromagnétique et de force électromagnétique qui représentaient à la fois les composants électriques et magnétiques de ces propriétés physiques.
Produit croisé
La règle de droite vous dit que le produit croisé entre deux vecteurs,uneetb, est leur perpendiculaire si vous pointez votre index droit dans la direction debet votre majeur droit dans la direction deune. Votre pouce pointera dans la direction dec, le vecteur résultant du produit vectoriel deuneetb. Le vecteurca une grandeur donnée par l'aire du parallélogramme que vecteursuneetbportée.
•••Syed Hussain Ather
Le produit vectoriel dépend de l'angle entre les deux vecteurs car cela détermine la zone du parallélogramme qui s'étend entre les deux vecteurs. Un produit croisé pour deux vecteurs peut être déterminé comme
a\fois b = |a||b|\sin{\theta}
pour un certain angleθentre vecteursuneetb,en gardant à l'esprit qu'il pointe dans la direction donnée par la règle de la main droite entreuneetb.
Force magnétique d'une boussole
Deux pôles nord se repoussent et deux pôles sud se repousseront également, tout comme les charges électriques se repoussent et les charges opposées s'attirent. L'aiguille de la boussole magnétique d'une boussole se déplace avec un couple, la force de rotation d'un corps en mouvement. Vous pouvez calculer ce couple en utilisant un produit croisé de la force de rotation, le couple, résultant du moment magnétique avec le champ magnétique.
Dans ce cas, vous pouvez utiliser "tau"
\tau = m\fois B = |m|| B|\sin{\theta}
oùmest le moment dipolaire magnétique,Best le champ magnétique, etθest l'angle entre ces deux vecteurs. Si vous déterminez quelle part de la force magnétique est due à la rotation d'un objet dans un champ magnétique, cette valeur est le couple. Vous pouvez déterminer soit le moment magnétique, soit la force du champ magnétique.
Parce qu'une aiguille de boussole s'aligne avec le champ magnétique terrestre, elle pointera vers le nord car s'aligner de cette façon est son état d'énergie le plus bas. C'est là que le moment magnétique et le champ magnétique s'alignent et que l'angle entre eux est de 0°. C'est la boussole au repos après que toutes les autres forces qui déplacent la boussole aient été prises en compte. Vous pouvez déterminer la force de ce mouvement de rotation en utilisant le couple.
Détecter la force de répulsion d'un aimant
Un champ magnétique fait que la matière présente des propriétés magnétiques, en particulier parmi les éléments tels que le cobalt et le fer qui ont des électrons non appariés qui laissent les charges se déplacer et les champs magnétiques émergent. Les aimants classés comme paramagnétiques ou diamagnétiques vous permettent de déterminer si une force magnétique est attractive ou répulsive par les pôles de l'aimant.
Les dia-aimants n'ont pas ou peu d'électrons non appariés et ne peuvent pas laisser les charges s'écouler aussi facilement que d'autres matériaux. Ils sont repoussés par les champs magnétiques. Les para-aimants ont des électrons non appariés pour laisser s'écouler la charge et sont donc attirés par les champs magnétiques. Pour déterminer si un matériau est diamagnétique ou paramagnétique, déterminez comment les électrons occupent les orbitales en fonction de leur énergie par rapport au reste de l'atome.
Assurez-vous que les électrons doivent occuper chaque orbitale avec un seul électron avant que les orbitales n'aient deux électrons. Si vous vous retrouvez avec des électrons non appariés, comme c'est le cas avec l'oxygène O2, le matériau est paramagnétique. Sinon, il est diamagnétique, comme N2. Vous pouvez imaginer cette force attractive ou répulsive comme l'interaction d'un dipôle magnétique avec l'autre.
L'énergie potentielle d'un dipôle dans un champ magnétique externe est donnée par le produit scalaire entre le moment magnétique et le champ magnétique. Cette énergie potentielle est
U=-m\cdot B=-|m|| B|\cos{\theta}
pour l'angleθentre m et B. Le produit scalaire mesure la somme scalaire résultant de la multiplication des composantes x d'un vecteur par les composantes x d'un autre tout en faisant de même pour les composantes y.
Par exemple, si vous aviez un vecteura = 2i + 3jetb = 4i + 5j, le produit scalaire résultant des deux vecteurs serait24 + 35 = 23. Le signe moins dans l'équation de l'énergie potentielle indique que le potentiel est défini comme négatif pour les énergies potentielles plus élevées de la force magnétique.