Možda ćete ponekad vidjeti kako se magneti odbijaju, a drugi put kako privlače jedni druge. Promjena oblika i orijentacije između dva različita magneta mogu promijeniti način na koji se međusobno privlače ili odbijaju.
Detaljnije proučavanje magnetskih materijala može vam dati bolju ideju o tome kako djeluje odbojna sila magneta. Kroz ove primjere možete vidjeti koliko teorije i nauka o magnetizmu mogu biti nijansirane i kreativnije.
Sila odbijanja magneta
Suprotnosti se privlače. Da bi se objasnilo zašto se magneti međusobno odbijaju, sjeverni kraj magneta privući će se prema jugu drugog magneta. Sjeverni i sjeverni kraj dva magneta, kao i južni i južni kraj dva magneta, međusobno će se odbijati. Magnetska sila osnova je elektromotora i atraktivnih magneta za upotrebu u medicini, industriji i istraživanjima.
Da bismo razumjeli kako djeluje ta odbojna sila i objasnili zašto se magneti međusobno odbijaju i privlače električnu energiju, važno je proučiti prirodu magnetske sile i brojne oblike koje ona ima u raznim pojavama fizika.
Magnetska sila na čestice
Za dvije pokretne nabijene čestice s nabojimaq1iq2i odgovarajuće brzinev1iv2odvojene radijusnim vektoromr, magnetska sila između njih dana je sBiot-Savartov zakon:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ puta (v_2 \ puta r)
u kojem×označavarezultat dva vektora, objašnjeno u nastavku.μ0 = 12.57×10−7 V / m, koja je konstanta magnetske propusnosti za vakuum. Imati na umu| r |je apsolutna vrijednost radijusa. Ova sila vrlo usko ovisi o smjeru vektorav1, v2, i r.
Iako se jednadžba može činiti sličnom električnoj sili na nabijenim česticama, imajte na umu da se magnetska sila koristi samo za pokretne čestice. Magnetska sila također ne uzima u obzir amagnetski monopol, hipotetska čestica koja bi imala samo jedan pol, sjeverni ili južni, dok se električki nabijene čestice i predmeti mogu puniti u jednom smjeru, pozitivnom ili negativnom. Ti čimbenici uzrokuju razlike u oblicima sile magnetizma i električne energije.
Teorije o elektricitetu i magnetizmu također pokazuju, ako ste imali dva magnetska monopola koji se nisu pomicali, još uvijek bi iskusili silu na isti način na koji bi se električna sila pojavila između dva nabijena čestice.
Međutim, znanstvenici nisu pokazali nikakve eksperimentalne dokaze koji bi sa sigurnošću i pouzdanošću zaključili da postoje magnetski monopoli. Ako se pokaže da oni postoje, znanstvenici bi mogli smisliti ideje o "magnetskom naboju" na isti način na koji su to električno nabijene čestice.
Magnetizam odbija i privlači definiciju
Ako imate na umu smjer vektorav1, v2, ir, možete utvrditi je li sila između njih privlačna ili odbojna. Na primjer, ako imate česticu koja se brzinom kreće prema naprijed u x smjeruv, tada ta vrijednost mora biti pozitivna. Ako se kreće u drugom smjeru, tada vrijednost v mora biti negativna.
Te dvije čestice se međusobno odbijaju ako se magnetske sile određene njihovim magnetskim poljima međusobno poništavaju usmjeravanjem u različitim smjerovima. Ako su dvije sile usmjerene u različitim smjerovima jedna prema drugoj, magnetska sila je privlačna. Magnetska sila uzrokovana je tim kretanjima čestica.
Pomoću ovih ideja možete pokazati kako magnetizam djeluje u svakodnevnim predmetima. Primjerice, ako neodijski magnet postavite blizu čeličnog odvijača i pomaknete ga prema dolje, prema vratilu, a zatim uklonite magnet, odvijač će možda zadržati malo magnetizma u sebi. To se događa zbog međusobnog magnetskog polja između dvaju predmeta koji stvaraju privlačnu silu kad se međusobno ponište.
Ova definicija odbijanja i privlačenja vrijedi za sve upotrebe magneta i magnetskih polja. Pratite koji smjerovi odgovaraju odbojnosti i privlačnosti.
Magnetska sila između žica
•••Syed Hussain Ather
Za struje, koje pokreću naboje kroz žice, magnetska sila može se odrediti kao privlačna ili odbojan na temelju mjesta žica u odnosu jedna na drugu i smjera struje kreće se. Za struje u kružnim žicama možete upotrijebiti desnu stranu da biste utvrdili kako nastaju magnetska polja.
Pravilo desne strane za struje u petljama žica znači da, ako prste desne ruke stavite uvijene u smjeru žičane petlje, možete odrediti smjer rezultirajućeg magnetskog polja i magnetski moment, kao što je prikazano na dijagramu iznad. To vam omogućuje da odredite koliko su petlje međusobno privlačne ili odbojne.
Pravilo s desne strane također vam omogućuje određivanje smjera magnetskog polja koje struja u ravnoj žici emitira. U tom slučaju kroz električnu žicu usmjeravate desni palac u smjeru struje. Smjer kako se prsti desne ruke uvijaju određuje smjer magnetskog polja?
Iz ovih primjera magnetskog polja induciranog strujama možete odrediti magnetsku silu između dviju žica kao rezultat tih linija magnetskog polja.
Definicija električne energije odbija i privlači
•••Syed Hussain Ather
Magnetska polja između petlji strujnih žica privlačna su ili odbojna, ovisno o smjeru električne struje i smjeru magnetskih polja koja iz njih proizlaze. Magnetski dipolni moment je snaga i orijentacija magneta koji stvara magnetsko polje. U gornjem dijagramu rezultirajuća privlačnost ili odbijanje pokazuju ovu ovisnost.
Možete zamisliti da se linije magnetskog polja koje te električne struje odaju uvijaju oko svakog dijela strujne žičane petlje. Ako su ti pravci petlje između dviju žica u suprotnim smjerovima, žice će privlačiti jedna drugu. Ako su u suprotnim smjerovima, međusobno udaljeni, petlje će se odbiti.
Magneti odbijaju i privlače električnu energiju
TheLorentzova jednadžbamjeri magnetsku silu između čestice koja se kreće u magnetskom polju. Jednadžba je
F = qE + qv \ puta B
u kojemFje magnetska sila,qje naboj nabijene čestice,Eje električno polje,vje brzina čestice, iBje magnetsko polje. U jednadžbi x označava križni proizvod izmeđuqviB.
Poprečni proizvod može se objasniti geometrijom i drugom verzijom pravila za desnu ruku. Ovoga puta koristite pravilo desne ruke kao pravilo za određivanje smjera vektora u unakrsnom proizvodu. Ako se čestica kreće u smjeru koji nije paralelan magnetskom polju, ona će se odbiti.
Lorentzova jednadžba pokazuje temeljnu vezu između elektriciteta i magnetizma. To bi dovelo do ideja o elektromagnetskom polju i elektromagnetskoj sili koje su predstavljale i električne i magnetske komponente ovih fizikalnih svojstava.
Rezultat dva vektora
Pravilo s desne strane govori vam da umnožak između dva vektora,aib, okomit je na njih ako desni kažiprst usmjerite u smjeruba desni srednji prst u smjerua. Palac će vam pokazati u smjeruc, rezultirajući vektor iz unakrsnog umnoškaaib. Vektorcima veličinu zadanu površinom paralelograma koji vektoriaibraspon.
•••Syed Hussain Ather
Unakrsni umnožak ovisi o kutu između dva vektora jer to određuje područje paralelograma koji se proteže između dva vektora. Unakrsni umnožak za dva vektora može se odrediti kao
a \ puta b = | a || b | \ sin {\ theta}
za neki kutθizmeđu vektoraaib,imajući na umu usmjereno u smjeru danom pravilom desne ruke izmeđuaib.
Magnetska sila kompasa
Dva sjeverna pola međusobno se odbijaju, a dva južna pola također će se odbijati, baš kao da se električni naboji međusobno odbijaju, a suprotni naboj privlače. Igla magnetskog kompasa kompasa pomiče se zakretnim momentom, rotacijskom silom tijela u pokretu. Ovaj moment možete izračunati pomoću križnog umnoška rotacijske sile, momenta, koji je rezultat magnetskog momenta s magnetskim poljem.
U ovom slučaju možete koristiti "tau"
\ tau = m \ puta B = | m || B | \ sin {\ theta}
gdjemje magnetni dipolni moment,Bje magnetsko polje, iθje kut između ta dva vektora. Ako utvrdite koliki je dio magnetske sile zbog rotacije za objekt u magnetskom polju, ta je vrijednost moment. Možete odrediti ili magnetski moment ili silu magnetskog polja.
Budući da se igla kompasa poravnava sa Zemljinim magnetskim poljem, ona će usmjeriti prema sjeveru, jer je poravnanje na taj način njegovo najniže energetsko stanje. Tu se magnetski moment i magnetsko polje međusobno poravnavaju i kut između njih je 0 °. Kompas miruje nakon što su uračunate sve ostale sile koje pomiču kompas. Snagu ovog rotacijskog gibanja možete odrediti pomoću obrtnog momenta.
Otkrivanje odbijajuće sile magneta
Magnetsko polje uzrokuje da materija pokazuje magnetska svojstva, posebno među elementima poput kobalta i željeza koji imaju nesparene elektrone koji puštaju naboje i izlaze magnetska polja. Magneti koji su klasificirani kao paramagnetski ili dijamagnetski omogućuju vam da odredite je li magnetska sila privlačna ili odbojna na polovima magneta.
Dijamagneti nemaju ili imaju nekoliko nesparenih elektrona i ne mogu dopustiti da naboji teku slobodno tako lako kao drugi materijali. Odbijaju ih magnetska polja. Paramagneti imaju nesparene elektrone koji propuštaju naboj i zato ih privlače magnetska polja. Da biste utvrdili je li materijal dijamagnetičan ili paramagnetičan, odredite kako elektroni zauzimaju orbitale na temelju svoje energije u odnosu na ostatak atoma.
Pazite da elektroni moraju zauzeti svaku orbitalu sa samo jednim elektronom prije nego što orbitale dobiju dva elektrona. Ako na kraju dobijete nesparene elektrone, kao što je slučaj s kisikom O2, materijal je paramagnetičan. Inače je dijamagnetski, poput N2. Ovu privlačnu ili odbojnu silu možete zamisliti kao interakciju jednog magnetskog dipola s drugim.
Potencijalna energija dipola u vanjskom magnetskom polju daje se točkasti proizvod između magnetskog momenta i magnetskog polja. Ova potencijalna energija je
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
za kutθizmeđu m i B. Točkasti proizvod mjeri skalarni zbroj koji nastaje množenjem x komponenata jednog vektora s x komponentama drugog, a čini isto za y komponente.
Na primjer, ako ste imali vektora = 2i + 3jib = 4i + 5j, rezultirajući umnožak dvaju vektora bio bi24 + 35 = 23. Znak minus u jednadžbi za potencijalnu energiju ukazuje da je potencijal definiran kao negativan za veće potencijalne energije magnetske sile.