Jedno iznenađujuće otkriće u ranoj fizici bilo je da su elektricitet i magnetizam dvije strane istog fenomena: elektromagnetizam. Zapravo, magnetska polja nastaju pomicanjem električnih naboja ili promjenama električnog polja. Kao takve, magnetske sile djeluju, ne samo na bilo što namagnetirano, već i na pokretne naboje.
Definicija magnetske sile
Magnetska sila je sila na objekt uslijed interakcija s magnetskim poljem.
SI jedinica za magnetsku silu je newton (N), a SI jedinica za magnetsko polje je tesla (T).
Svatko tko je držao dva trajna magneta jedan blizu drugog, primijetio je prisutnost magnetske sile. Ako se dva magnetska južna pola ili dva magnetska sjeverna pola približe jedan drugome, magnetska sila odbija i magneti će se gurati jedan u drugi u suprotnim smjerovima. Ako se približe suprotni stupovi, to je atraktivno.
Ali temeljno podrijetlo magnetskog polja je pokretni naboj. Na mikroskopskoj se razini to događa zbog kretanja elektrona u atomima magnetiziranih materijala. Podrijetlo magnetskih sila možemo razumjeti eksplicitnije, razumijevanjem kako magnetsko polje utječe na pomični naboj.
Jednadžba magnetske sile
Lorentzov zakon sile povezuje magnetsko polje sa silom koju osjeća pokretni naboj ili struja. Ovaj zakon može se izraziti kao vektorski križni umnožak:
\ bold F = q \ bold v \ times \ bold B
za naplatuqkrećući se brzinomvu magnetskom poljuB.Veličina rezultata pojednostavljuje se naF = qvBsin (θ)gdjeθje kut izmeđuviB. (Dakle, sila je maksimalna kadaviBsu okomite i 0 kada su paralelne.)
To se također može zapisati kao:
za električnu strujuJau žici duljineLu poljuB.
Ovo je zbog:
\ bold IL = \ frac {q} {\ Delta t} L = q \ frac {L} {\ Delta t} = q \ bold v
Savjeti
Ako je prisutno i električno polje, ovaj zakon o sili uključuje pojamqEuključiti i električnu silu, gdjeEje električno polje.
Smjer Lorentzove sile određujepravilo desne ruke. Ako kažiprst desne ruke usmjerite u smjeru u kojem se kreće pozitivni naboj, i srednji prst u smjeru magnetskog polja, palac daje smjer sila. (Za negativni naboj smjer se okreće.)
Primjeri
Primjer 1:Pozitivno nabijena alfa čestica koja putuje udesno ulazi u jednoliko magnetsko polje od 0,083 T s linijama magnetskog polja usmjerenim prema zaslonu. Kao rezultat toga, kreće se u krug. Koliki je polumjer i smjer njenog kružnog puta ako je brzina čestice 2 × 105 m / s? (Masa alfa čestice je 6,64424 × 10-27 kg i sadrži dva pozitivno nabijena protona.)
Kako čestica ulazi u polje, pomoću pravila desne ruke možemo utvrditi da će u početku iskusiti silaznu silu. Kako mijenja smjer u polju, magnetska sila završava usmjeravajući prema središtu kružne orbite. Takonjegovo će kretanje biti u smjeru kazaljke na satu.
Za objekte koji se podvrgavaju kružnom gibanju konstantnom brzinom, neto sila daje seFneto = mv2/r.Postavivši to jednako magnetskoj sili, tada možemo riješiti zar:
\ frac {mv ^ 2} {r} = qvB \ podrazumijeva r = \ frac {mv} {qB} = \ frac {(6,64424 \ times10 ^ {- 27}) (2 \ puta 10 ^ 5)} {(2 \ puta 1.602 \ puta 10 ^ {- 19}) (0,083)} = 0,05 \ text {m}
Primjer 2:Odredite udaljenost sile po jedinici duljine na dvije paralelne ravne žicerosim nošenja strujeJa.
Budući da su polje i struja pod pravim kutom, sila na žici koja nosi struju jeF = ILB, pa će sila po jedinici duljine bitiŽ / L = IB.
Polje zbog žice dato je:
B = \ frac {\ mu_0I} {2 \ pi r}
Dakle, sila po jedinici duljine koju jedna žica osjeća zbog druge je:
\ frac {F} {L} = IB = \ frac {\ mu_0I ^ 2} {2 \ pi r}
Imajte na umu da ako je smjer struja jednak, pravilo s desne strane pokazuje nam da će to biti privlačna sila. Ako su struje anti-poravnate, to će biti odbojno.