A mezők körülöttünk vannak. Legyen az a gravitációs mező, amelyet a Föld tömege okoz, vagy a töltött részecskék, például elektronok által létrehozott elektromos mezők, mindenütt láthatatlan mezők vannak, amelyek potenciálokat és láthatatlan erőket képviselnek, amelyek alkalmasak a tárgyak megfelelő mozgatására jellemzők.
Például egy területen lévő elektromos mező azt jelenti, hogy a töltött terület az eredeti pályájáról eltéríthető, amikor belép a régióba, és a Föld tömegéből adódó gravitációs mező szilárdan tartja Önt a Föld felszínén, hacsak nem tesz valamilyen munkát annak leküzdésére befolyás.
A mágneses mezők okozzák a mágneses erőket, és azok a tárgyak, amelyek mágneses erőket gyakorolnak más tárgyakra, mágneses mező létrehozásával teszik ezt. A mágneses mezőket az iránytű tűinek kitérítésével lehet felismerni, amelyek egy vonalba kerülnek a mező vonalaival (a tűtől északra mágneses irány a mágneses dél felé mutat). Ha az elektromosságot és a mágnesességet tanulmányozza, akkor a mágneses mezőkről és a mágneses erőről többet megtudni döntő lépés az utazás során.
Mi a mágneses mező?
A fizikában általában a mezők olyan vektorok, amelyek értékei a tér minden térségében megadják, hogy milyen erős vagy gyenge a hatás ebben a pontban, valamint a hatás irányát. Például egy tömeges tárgy, mint a nap, gravitációs mezőt hoz létre, és az e mezőbe belépő más tömegű tárgyakat erő hatással van rá. A nap gravitációs vonzata így tartja a Földet körülötte a pályán.
A Naprendszer távolabb, például az Urán pályájának tartományában ugyanaz az erő érvényes, de az erő sokkal kisebb. Mindig egyenesen a napra irányul; ha elképzeled a nap körüli nyilak gyűjteményét, amelyek mind felé mutatnak, de hosszabb távolságokkal, közelről (erősebb erő) és kisebb távolságok nagy távolságokon (gyengébb erő), alapvetően elképzelte a gravitációs mezőt a rendszer.
Ugyanígy a töltéssel rendelkező tárgyak elektromos mezőket hoznak létre, és a mozgó töltések keletkeznekmágneses mezők, amely mágneses erőt idézhet elő egy közeli töltött tárgyban vagy más mágneses anyagban.
Ezek a mezők kissé bonyolultabbak az alakjuk szempontjából, mint a gravitációs mezők, mivel hurokmágnesesek mezővonalak, amelyek a pozitív (vagy az északi pólusból) kilépnek és a negatív (vagy a déli pólusnál) végződnek, de ugyanazt az szerep. Olyanok, mint az erővonalak, amelyek megmondják, hogyan fog viselkedni egy helyen elhelyezett tárgy. Ezt egyértelműen megjelenítheti vasreszelékkel, amelyek igazodnak a külső mágneses mezőhöz.
A mágneses mezőkmindig dipólusmezők, tehát nincsenek mágneses monopólusok. Általában a mágneses mezőket a betű jelöliB, de ha egy mágneses mező áthalad egy mágneses anyagon, ez polarizálódhat és saját mágneses teret generálhat. Ez a második mező járul hozzá az első mezőhöz, és a kettő kombinációjára a betű utalH, hol
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {és} \ mu_m = K_m \ mu_0
μ-vel0 = 4π × 10−7 H / m (azaz a szabad tér mágneses permeabilitása) és Km a kérdéses anyag relatív permeabilitása.
Az adott területen áthaladó mágneses tér mennyiségét mágneses fluxusnak nevezzük. A mágneses fluxus sűrűsége összefügg a helyi térerősséggel. Mivel a mágneses mezők mindig dipolárisak, a zárt felületen áthaladó nettó mágneses fluxus 0. (Bármely mezővonal, amely kilép a felületről, szükségszerűen adja meg újra, törölve.)
Egységek és mérés
A mágneses térerősség SI mértékegysége a tesla (T), ahol:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
A mágneses térerősség másik széles körben alkalmazott egysége a gauss (G), ahol:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
A tesla meglehetősen nagy egység, ezért sok gyakorlati helyzetben a gauss hasznosabb választás - például a a hűtőmágnes erőssége körülbelül 100 G lesz, míg a Föld mágneses tere a Föld felszínén kb. 0,5 G
A mágneses mezők okai
Az elektromosság és a mágnesesség alapvetően összefonódik, mert a mozgó töltés mágneses mezőket generál (mint az elektromos áramok) vagy a változó elektromos mezők, míg a változó mágneses mező elektromos áramot generál terület.
Rúdmágnesben vagy hasonló mágneses objektumban a mágneses mező több mágneses „tartományból” származik igazodnak, amelyeket viszont a töltött elektronok mozgása hoz létre a magjuk körül atomok. Ezek a mozgások kis mágneses tereket hoznak létre egy tartományon belül. A legtöbb anyagban a domainek véletlenszerű igazítással rendelkeznek, és törlik egymást, de némelyikben anyagok, a szomszédos területek mágneses terei egymáshoz igazodnak, és ez nagyobb méreteket eredményez mágnesesség.
A Föld mágneses terét mozgó töltés is létrehozza, de ebben az esetben a Föld magját körülvevő olvadt réteg mozgása hozza létre a mágneses teret. Ezt azzal magyarázzákdinamó elmélet, amely leírja, hogy egy forgó, elektromosan töltött folyadék hogyan hoz létre mágneses teret. A Föld külső magja folyamatosan mozgó folyékony vasat tartalmaz, az elektronok a folyadékon keresztül haladva mágneses teret generálnak.
A Napnak mágneses tere is van, és ennek működésére nagyon hasonló a magyarázat. A nap különböző részeinek változó forgási sebessége (azaz a különböző szélességi fokú folyadékszerű anyag) azonban a terepi vonalakhoz vezet összezavarodni az idő múlásával, valamint a Naphoz kapcsolódó számos jelenséggel, például a napkitörésekkel és napfoltokkal, valamint a nagyjából 11 éves ciklus. A napnak két pólusa van, akárcsak a rúdmágnes, de a nap plazmájának mozgása és a fokozatosan növekvő naptevékenység miatt a mágneses pólusok 11 évente elfordulnak.
Mágneses mező képletek
A mozgó töltés különböző elrendezéséből adódó mágneses mezőket egyedileg kell levezetni de sok szabványos képlet használható, hogy ne kelljen minden „újratalálni a kereket” idő. Képleteket vezethet le alapvetően a mozgó töltés bármilyen elrendezésére a Biot-Savart törvény vagy az Ampere-Maxwell törvény használatával. Az elektromos áram egyszerű elrendezésére kapott képleteket azonban olyan gyakran használják és idézik, hogy megtehesse egyszerűen "standard formulákként" kezelje őket, ahelyett, hogy minden alkalommal a Biot-Savart vagy az Ampere-Maxwell törvényből származna.
Az egyenes vonal mágneses terét az Ampere-törvény (az Ampere-Maxwell-törvény egyszerűbb formája) határozza meg:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Holμ0 a korábban meghatározottak szerint,énaz áram amperekben ésraz a vezeték távolsága, amelyet mágneses mezőt mérsz.
Az áramhurok közepén lévő mágneses teret az alábbiak adják meg:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
HolRa hurok sugara, és a többi szimbólum megegyezik a korábban megadottakkal.
Végül egy mágnesszelep mágneses terét a következõk adják meg:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
HolNa fordulatok száma ésLa mágnesszelep hossza. A mágnesszelep nagyrészt a tekercs közepén koncentrálódik.
Példa számításokra
Ezeknek az (és a hozzájuk hasonló) egyenleteknek a megtanulása a fő dolog, amit meg kell tennie a mágneses tér kiszámításakor vagy az ebből adódó mágneses erő, így mindegyik példa segít megoldani a valószínű problémákat találkozás.
Egy 5 amperes áramot (azaz I = 5 A) hordozó hosszú egyenes vezeték esetén mekkora a mágneses térerősség 0,5 m távolságra a huzaltól?
Az első egyenletet I = 5 A és r = 0,5 m alkalmazásával kapjuk:
\ begin {aligned} 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 {igazított}
Most az I = 10 A-t hordozó és r = 0,2 m sugarú áramhurok esetén mekkora a mágneses tér a hurok közepén? A második egyenlet:
\ begin {aligned} 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 {igazítva}
Végül egy N = 15 fordulattal rendelkező mágnesszelep L = 0,1 m hosszában, 4 A árammal, mekkora a mágneses térerősség a középpontban?
A harmadik egyenlet:
\ begin {aligned} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {fordul}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {igazítva}
Más példa a mágneses tér számításai kicsit másképp működhetnek - például elmondhatjuk az a közepén lévő mezőt mágnesszelep és az áram, de az N / L arányt kéri - de amíg ismeri az egyenleteket, addig nem lesznek problémái válaszolva rájuk.