A volte potresti vedere i magneti respingersi l'un l'altro, e altre volte vederli attrarsi l'un l'altro. Cambiare la forma e l'orientamento tra due diversi magneti può cambiare il modo in cui si attraggono o si respingono a vicenda.
Studiare i materiali magnetici in modo più dettagliato può darti un'idea migliore di come funziona la forza repulsiva del magnete. Attraverso questi esempi, puoi vedere quanto possono essere sfumate e creative le teorie e la scienza del magnetismo.
La forza repulsiva di un magnete
Gli opposti si attraggono. Per spiegare perché i magneti si respingono, un'estremità nord di un magnetico sarà attratta a sud di un altro magnetico. Le estremità nord e nord di due magneti e le estremità sud e sud di due magneti si respingono l'una con l'altra. La forza magnetica è la base per motori elettrici e magneti attraenti per l'uso in medicina, industria e ricerca.
Per capire come funziona questa forza repulsiva e spiegare perché i magneti si respingono e si attraggono elettricità, è importante studiare la natura della forza magnetica e le molte forme che assume nei vari fenomeni in fisica.
Forza magnetica sulle particelle
Per due particelle cariche in movimento con caricheq1eq2e rispettive velocitàv1ev2separati da un raggio vettorer, la forza magnetica tra di loro è data daLegge di Biot-Savart:
F=\frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2}v_1\times (v_2\times r)
in quale×denota laprodotto incrociato, spiegato di seguito.μ0 = 12.57×10−7 H/m, che è la costante di permeabilità magnetica per un vuoto. Tieni a mente|r|è il valore assoluto del raggio. Questa forza dipende molto strettamente dalla direzione dei vettoriv1, v2, e r.
Sebbene l'equazione possa sembrare simile alla forza elettrica sulle particelle cariche, tieni presente che la forza magnetica viene utilizzata solo per le particelle in movimento. Anche la forza magnetica non tiene conto di amonopolo magnetico, un'ipotetica particella che avrebbe un solo polo, nord o sud, mentre particelle e oggetti caricati elettricamente possono essere caricati in un'unica direzione, positiva o negativa. Questi fattori causano le differenze nelle forme di forza per il magnetismo e per l'elettricità.
Le teorie dell'elettricità e del magnetismo mostrano anche che se avessi due monopoli magnetici che non si muovevano, sperimenterebbero ancora una forza nello stesso modo in cui si verificherebbe una forza elettrica tra due cariche particelle.
Tuttavia, gli scienziati non hanno mostrato alcuna prova sperimentale per concludere con certezza e fiducia che esistono monopoli magnetici. Se si scopre che esistono, gli scienziati potrebbero elaborare idee sulla "carica magnetica" allo stesso modo delle particelle caricate elettricamente.
Il magnetismo respinge e attira la definizione
Se tieni presente la direzione dei vettori vectorv1, v2, er, puoi determinare se la forza tra di loro è attrattiva o repulsiva. Ad esempio, se hai una particella che si muove in avanti nella direzione x con una velocitàv, allora questo valore deve essere positivo. Se si muove nella direzione opposta, il valore v deve essere negativo.
Queste due particelle si respingono se le forze magnetiche determinate dai rispettivi campi magnetici tra di loro si annullano puntando in direzioni diverse l'una dall'altra. Se le due forze puntano in direzioni diverse l'una verso l'altra, la forza magnetica è attrattiva. La forza magnetica è causata da questi movimenti di particelle.
Puoi usare queste idee per mostrare come funziona il magnetismo negli oggetti di uso quotidiano. Ad esempio, se si posiziona un magnete al neodimio vicino a un cacciavite in acciaio e lo si sposta su e giù lungo l'asta e poi si rimuove il magnete, il cacciavite potrebbe trattenere del magnetismo al suo interno. Ciò accade a causa dei campi magnetici interagenti tra i due oggetti che creano la forza attrattiva quando si annullano a vicenda.
Questa definizione di respingere e attrarre vale in tutti gli usi dei magneti e dei campi magnetici. Tieni traccia di quali direzioni corrispondono alla repulsione e all'attrazione.
Forza magnetica tra i fili
•••Syed Hussain Ather
Per le correnti, che muovono cariche attraverso i fili, la forza magnetica può essere determinata come attrattiva o repulsivo in base alla posizione dei fili l'uno rispetto all'altro e alla direzione della corrente si muove. Per le correnti nei fili circolari, puoi usare la mano destra per determinare come emergono i campi magnetici.
La regola della mano destra per le correnti in spire di fili significa che, se si posizionano le dita della mano destra piegate nella direzione di un loop di filo, è possibile determinare la direzione del campo magnetico risultante e il momento magnetico, come mostrato nel diagramma sopra. Ciò consente di determinare in che modo i loop sono attraenti o ripugnanti tra loro.
La regola della mano destra consente anche di determinare la direzione del campo magnetico emesso dalla corrente in un filo dritto. In questo caso, punti il pollice destro nella direzione della corrente attraverso il cavo elettrico. La direzione di come le dita della tua mano destra si arricciano determina la direzione del campo magnetico?
Da questi esempi di campo magnetico indotto da correnti, è possibile determinare la forza magnetica tra due fili come risultato di queste linee di campo magnetico.
Definizione di repulsione e attrazione dell'elettricità
•••Syed Hussain Ather
I campi magnetici tra le spire dei fili di corrente sono attrattivi o repulsivi a seconda della direzione della corrente elettrica e della direzione dei campi magnetici che ne derivano. Il momento di dipolo magnetico è la forza e l'orientamento di un magnetico che produce il campo magnetico. Nel diagramma sopra, l'attrazione o repulsione risultante mostra questa dipendenza.
Puoi immaginare le linee del campo magnetico che queste correnti elettriche emettono mentre si arricciano attorno a ciascuna parte del circuito di corrente. Se quelle direzioni di loop tra i due fili sono in direzioni opposte l'una verso l'altra, i fili si attraggono l'un l'altro. Se sono in direzioni opposte l'una dall'altra, i cappi si respingeranno a vicenda.
I magneti respingono e attirano l'elettricità
IlEquazione di Lorentzmisura la forza magnetica tra una particella in movimento in un campo magnetico. L'equazione è
F=qE+qv\volte B
in qualeFè la forza magnetica,qè la carica della particella carica,Eè il campo elettrico,vè la velocità della particella, eBè il campo magnetico. Nell'equazione, x denota il prodotto incrociato traqveB.
Il prodotto incrociato può essere spiegato con la geometria e un'altra versione della regola della mano destra. Questa volta, usi la regola della mano destra come regola per determinare la direzione dei vettori nel prodotto vettoriale. Se la particella si muove in una direzione non parallela al campo magnetico, la particella ne sarà respinta.
L'equazione di Lorentz mostra la connessione fondamentale tra elettricità e magnetismo. Ciò porterebbe a idee di campo elettromagnetico e forza elettromagnetica che rappresentavano sia i componenti elettrici che magnetici di queste proprietà fisiche.
Prodotto incrociato
La regola della mano destra ti dice che il prodotto incrociato tra due vettori,uneb, è la loro perpendicolare se punti il dito indice destro nella direzione dibe il tuo dito medio destro in direzione diun. Il pollice punterà nella direzione dic, il vettore risultante dal prodotto vettoriale diuneb. Il vettorecha un modulo dato dall'area del parallelogramma che vettori vectorunebspan.
•••Syed Hussain Ather
Il prodotto vettoriale dipende dall'angolo tra i due vettori poiché questo determina l'area del parallelogramma che si estende tra i due vettori. Un prodotto incrociato per due vettori può essere determinato come
a\times b = |a||b|\sin{\theta}
per qualche angoloθtra vettoriuneb,tenendo presente che punta nella direzione data dalla regola della mano destra trauneb.
Forza magnetica di una bussola
Due poli nord si respingono e anche due poli sud si respingono, proprio come le cariche elettriche si respingono e le cariche opposte si attraggono. L'ago della bussola magnetica di una bussola si muove con una coppia, la forza di rotazione di un corpo in movimento. È possibile calcolare questa coppia utilizzando un prodotto incrociato della forza di rotazione, coppia, come risultato del momento magnetico con il campo magnetico.
In questo caso, puoi usare "tau"
\tau = m\volte B = |m|| B|\sin{\theta}
dovemè il momento di dipolo magnetico,Bè il campo magnetico, eθè l'angolo tra questi due vettori. Se determini quanta parte della forza magnetica è dovuta alla rotazione di un oggetto in un campo magnetico, quel valore è la coppia. È possibile determinare il momento magnetico o la forza del campo magnetico.
Poiché l'ago di una bussola si allinea con il campo magnetico terrestre, punterà a nord perché allinearsi in questo modo è il suo stato energetico più basso. Qui è dove il momento magnetico e il campo magnetico si allineano l'uno con l'altro e l'angolo tra loro è 0°. È la bussola a riposo dopo che tutte le altre forze che muovono la bussola sono state prese in considerazione. È possibile determinare la forza di questo movimento rotatorio utilizzando la coppia.
Rilevamento della forza di repulsione di un magnete
Un campo magnetico fa sì che la materia mostri proprietà magnetiche, specialmente tra elementi come il cobalto e il ferro che hanno elettroni spaiati che fanno muovere le cariche e fanno emergere campi magnetici. I magneti classificati come paramagnetici o diamagnetici consentono di determinare se una forza magnetica è attrattiva o repulsiva dai poli del magnete.
I diamagneti non hanno o pochi elettroni spaiati e non possono lasciare che le cariche fluiscano liberamente così facilmente come fanno altri materiali. Sono respinti dai campi magnetici. I paramagneti hanno elettroni spaiati per far fluire la carica e sono, quindi, attratti dai campi magnetici. Per determinare se un materiale è diamagnetico o paramagnetico, determinare come gli elettroni occupano gli orbitali in base alla loro energia rispetto al resto dell'atomo.
Assicurati che gli elettroni debbano occupare ogni orbitale con un solo elettrone prima che gli orbitali abbiano due elettroni. Se ti ritrovi con elettroni spaiati, come nel caso dell'ossigeno O2, il materiale è paramagnetico. Altrimenti, è diamagnetico, come N2. Puoi immaginare questa forza attrattiva o repulsiva come l'interazione di un dipolo magnetico con l'altro.
L'energia potenziale di un dipolo in un campo magnetico esterno è data dal prodotto scalare tra il momento magnetico e il campo magnetico. Questa energia potenziale è
U=-m\cdot B=-|m|| B|\cos{\theta}
per l'angoloθtra m e B. Il prodotto scalare misura la somma scalare risultante dalla moltiplicazione delle componenti x di un vettore per le componenti x di un altro mentre si fa lo stesso per le componenti y.
Ad esempio, se avessi un vettorea = 2i + 3jeb = 4i + 5j, il prodotto scalare risultante dei due vettori sarebbe24 + 35 = 23. Il segno meno nell'equazione dell'energia potenziale indica che il potenziale è definito negativo per energie potenziali più elevate della forza magnetica.