Polja su svuda oko nas. Bilo da je to gravitacijsko polje uzrokovano Zemljinom masom ili električno polje stvoreno nabijenim česticama poput elektrona, posvuda su nevidljiva polja koja predstavljaju potencijale i neviđene sile sposobne za pravilno pomicanje predmeta karakteristike.
Na primjer, električno polje u nekom području znači da se nabijeni objekt može skrenuti s izvorne putanje kad uđe u to područje, i gravitacijsko polje zbog Zemljine mase čvrsto vas drži na površini Zemlje, osim ako ne napravite neki posao da biste prevladali njegovo utjecaj.
Magnetska polja su uzrok magnetskih sila, a predmeti koji vrše magnetske sile na druge predmete čine to stvaranjem magnetskog polja. Magnetska polja mogu se otkriti skretanjem igala kompasa koje se poravnaju s linijama polja (magnetski sjever igle usmjeren prema magnetskom jugu). Ako proučavate elektricitet i magnetizam, učenje više o magnetskim poljima i magnetskoj sili presudan je korak na vašem putovanju.
Što je magnetsko polje?
Općenito u fizici, polja su vektori s vrijednostima u svakom području prostora koji vam govore koliko je jak ili slab učinak u toj točki i smjer učinka. Na primjer, objekt s masom, poput sunca, stvara gravitacijsko polje, a na druge predmete s masom koja ulazi u to polje djeluje sila. Ovako gravitacijsko privlačenje sunca održava Zemlju u orbiti oko sebe.
Dalje u Sunčevom sustavu, poput dosega Uranove orbite, primjenjuje se ista sila, ali snaga je mnogo manja. Uvijek je usmjeren ravno prema suncu; ako zamislite kolekciju strelica koje okružuju sunce, a sve su usmjerene prema njemu, ali s dužim duljinama na bliskoj udaljenosti (jača sila) i manje duljine na velikim udaljenostima (slabija sila), u osnovi ste zamislili gravitacijsko polje u Suncu sustav.
Na isti način kao i ovaj, i predmeti s nabojem stvaraju električna polja, a pokretni naboji generirajumagnetska polja, koji mogu stvoriti magnetsku silu u obližnjem nabijenom predmetu ili drugim magnetskim materijalima.
Ta su polja malo složenija u pogledu oblika od gravitacijskih polja, jer imaju magnetska petlja linije polja koje izlaze iz pozitivnog (ili sjevernog pola) i završavaju u negativnom (ili južnom polu), ali ispunjavaju iste osnovne uloga. Oni su poput linija sile koje vam govore kako će se ponašati objekt smješten na lokaciji. To možete jasno predočiti pomoću željeznih opiljaka, koji će se poravnati s vanjskim magnetskim poljem.
Magnetska polja sustalno dipolna polja, tako da nema magnetskih monopola. Općenito su magnetska polja predstavljena slovomB, ali ako magnetsko polje prolazi kroz magnetski materijal, to može postati polarizirano i stvoriti vlastito magnetsko polje. Ovo drugo polje pridonosi prvom polju, a kombinacija dva navedena je slovomH, gdje
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ tekst {i} \ mu_m = K_m \ mu_0
sa μ0 = 4π × 10−7 H / m (tj. Magnetska propusnost slobodnog prostora) i Km budući da je relativna propusnost predmetnog materijala.
Količina magnetskog polja koja prolazi kroz određeno područje naziva se magnetski tok. Gustoća magnetskog toka povezana je s jačinom lokalnog polja. Budući da su magnetska polja uvijek dipolarna, neto magnetski tok kroz zatvorenu površinu je 0. (Sve linije polja koje izlaze s površine, nužno je ponovno unesite, poništavajući.)
Jedinice i mjerenje
SI jedinica magnetskog polja je tesla (T), gdje:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Druga široko korištena jedinica za jakost magnetskog polja je Gauss (G), gdje:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla je prilično velika jedinica, pa je u mnogim praktičnim situacijama korisniji izbor gauss - na primjer, a magnet za hladnjak imat će jačinu od oko 100 G, dok je Zemljino magnetsko polje na površini Zemlje oko 0,5 G.
Uzroci magnetskih polja
Električna energija i magnetizam u osnovi su isprepleteni jer se magnetska polja generiraju pokretnim nabojem (poput električnih struja) ili promjenjivih električnih polja, dok promjenjivo magnetsko polje generira električno polje.
U šipkastom magnetu ili sličnom magnetskom objektu magnetsko polje nastaje iz nekoliko magnetskih "domena" postajući poravnati, koji su pak stvoreni kretanjem nabijenih elektrona oko njihovih jezgri atoma. Ova kretanja proizvode mala magnetska polja unutar domene. U većini materijala domene će se nasumično poravnati i međusobno će se poništiti, ali u nekima materijala, magnetska polja u susjednim domenama postaju poravnana, a to stvara veće razmjere magnetizam.
Magnetsko polje Zemlje također se generira pomičnim nabojem, ali u ovom slučaju kretanje rastopljenog sloja koji okružuje Zemljinu jezgru stvara magnetsko polje. To se objašnjavadinamo teorija, koji opisuje kako rotirajuća, električno nabijena tekućina stvara magnetsko polje. Zemljina vanjska jezgra sadrži tekuće željezo koje se neprestano kreće, a elektroni putuju kroz tekućinu i generiraju magnetsko polje.
Sunce također ima magnetsko polje, a objašnjenje kako to djeluje vrlo je slično. Međutim, različite brzine rotacije različitih dijelova sunca (tj. Tekućinskom materijalu na različitim geografskim širinama) vode do linija polja zapetljavanje s vremenom, kao i mnogi fenomeni povezani sa suncem, poput sunčevih bljeskova i sunčevih pjega, i otprilike 11-godišnjeg sunčevog zračenja ciklus. Sunce ima dva pola, baš poput šipkastog magneta, ali pokreti sunčeve plazme i postupno rastuća sunčeva aktivnost uzrokuju okretanje magnetskih polova svakih 11 godina.
Formule magnetskog polja
Magnetska polja zbog različitih rasporeda pokretnog naboja moraju se izvesti pojedinačno, ali postoji mnogo standardnih formula koje možete koristiti tako da ne morate svaki put "ponovno izmišljati kotač" vrijeme. Možete izvući formule u osnovi za bilo koji raspored pokretnog naboja koristeći Biot-Savartov zakon ili Ampere-Maxwellov zakon. Međutim, rezultirajuće formule za jednostavne rasporede električne struje toliko su često korištene i citirane da možete jednostavno ih tretirajte kao "standardne formule", umjesto da ih svaki put izvodite iz zakona Biot-Savart ili Ampere-Maxwell.
Magnetsko polje ravne struje određuje se iz Ampereova zakona (jednostavniji oblik Ampere-Maxwellovog zakona) kao:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Gdjeμ0 je kao što je definirano ranije,Jaje struja u pojačalima irje udaljenost od žice kojom mjerite magnetsko polje.
Magnetsko polje u središtu strujne petlje dato je:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
GdjeRje polumjer petlje, a ostali simboli su kako je prethodno definirano.
Napokon, magnetsko polje solenoida dobiva se pomoću:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
GdjeNje broj zavoja iLje duljina solenoida. Magnetsko polje solenoida uglavnom je koncentrirano u središtu zavojnice.
Primjeri izračuna
Naučiti koristiti ove jednadžbe (i one poput njih) glavna je stvar koju ćete morati učiniti prilikom izračunavanja magnetskog polja ili rezultirajuća magnetska sila, pa će vam primjer svakog od njih pomoći u rješavanju problema s kojima ćete se vjerojatno suočiti susret.
Kolika je jakost magnetskog polja udaljena 0,5 m od žice za dugu ravnu žicu koja nosi struju od 5 ampera (tj. I = 5 A)?
Korištenje prve jednadžbe s I = 5 A i r = 0,5 m daje:
\ početak {poravnato} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ text {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ text {T} \ end {align}
Sada je za strujnu petlju koja nosi I = 10 A i s radijusom r = 0,2 m, koje je magnetsko polje u središtu petlje? Druga jednadžba daje:
\ start {poravnato} 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 {align}
Konačno, kolika je jakost magnetskog polja u središtu za solenoid s N = 15 zavoja duljine L = 0,1 m, koji nosi struju od 4 A?
Treća jednadžba daje:
\ započeti {poravnato} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {okreće}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7,54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {usklađeno}
Drugi primjeri izračuna magnetskog polja mogu djelovati malo drugačije - na primjer, reći vam polje u središtu a solenoid i struja, ali tražeći omjer N / L - ali sve dok ste upoznati s jednadžbama, nećete imati problema odgovarajući im.