לפעמים אתה יכול לראות מגנטים דוחים זה את זה, ופעמים אחרות רואים אותם מושכים זה את זה. שינוי הצורה והכיוון בין שני מגנטים שונים יכולים לשנות את הדרך בה הם מושכים או דוחים זה את זה.
לימוד חומרים מגנטיים בפירוט רב יותר יכול לתת לך מושג טוב יותר כיצד פועל כוח הדחייה של המגנט. באמצעות דוגמאות אלו תוכלו לראות עד כמה התיאוריות ומדע המגנטיות יכולים להיות ניואנסים ויצירתיים.
כוח הדוחה של מגנט
הפכים נמשכים. כדי להסביר מדוע מגנטים דוחים זה את זה, קצה צפוני של מגנט יימשך לדרום מגנט אחר. הקצוות הצפוניים והצפוניים של שני מגנטים וכן הקצוות הדרומיים והדרומיים של שני מגנטים ידחו זה את זה. הכוח המגנטי הוא הבסיס למנועים חשמליים ולמגנטים מושכים לשימוש ברפואה, בתעשייה ובמחקר.
כדי להבין כיצד פועל כוח הדוחה הזה ולהסביר מדוע מגנטים דוחים זה את זה ומושכים חשמל, חשוב ללמוד את אופיו של הכוח המגנטי ואת הצורות הרבות שהוא מקבל בתופעות שונות בתוכו פיזיקה.
כוח מגנטי על חלקיקים
לשני חלקיקים טעונים נעים עם מטעניםש1וש2ומהירויות בהתאמהv1וv2מופרד על ידי וקטור רדיוסר, הכוח המגנטי ביניהם ניתן על ידי ה-חוק ביוט-סוארט:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ times (v_2 \ times r)
בו×מציין אתמוצר צולב, מוסבר להלן.μ0 = 12.57×10−7 H / m, שהוא קבוע החדירות המגנטית לוואקום. זכור| r |הוא הערך המוחלט של הרדיוס. כוח זה תלוי מקרוב בכיוון הווקטוריםv1, v2, ו ר.
בעוד שהמשוואה עשויה להיראות דומה לכוח החשמלי על חלקיקים טעונים, יש לזכור שהכוח המגנטי משמש רק לחלקיקים נעים. הכוח המגנטי גם אינו מהווה חשבון אמונופול מגנטי, חלקיק היפותטי שיהיה לו רק קוטב אחד, צפון או דרום, בעוד שחלקיקים וחפצים טעונים חשמלית יכולים להיות טעונים בכיוון אחד, חיובי או שלילי. גורמים אלה גורמים להבדלים בצורות הכוח למגנטיות ולחשמל.
תיאוריות של חשמל ומגנטיות מראות גם אם היו לך שני מונופולים מגנטיים שלא זזו, הם עדיין יחוו כוח באותו אופן שבו כוח חשמלי יתרחש בין שני טעונים חלקיקים.
עם זאת, מדענים לא הראו עדויות ניסיוניות שמסקנות בוודאות ובביטחון שקיימים מונופולים מגנטיים. אם יתברר שהם אכן קיימים, מדענים יכולים להעלות רעיונות של "מטען מגנטי" באותה צורה שהם חלקיקים טעונים חשמלית.
מגנטיות דוחה ומושכת הגדרה
אם זכור לכיוון הווקטוריםv1, v2, ור, אתה יכול לקבוע אם הכוח ביניהם מושך או דוחה. לדוגמא, אם יש לך חלקיק הנע קדימה בכיוון ה- x במהירותvאז ערך זה חייב להיות חיובי. אם הוא נע בכיוון השני, אז ערך v חייב להיות שלילי.
שני חלקיקים אלה דוחים זה את זה אם הכוחות המגנטיים הנקבעים על ידי השדות המגנטיים שלהם, מבטלים זה את זה על ידי הצבעה לכיוונים שונים זה מזה. אם שני הכוחות מכוונים זה לזה, הכוח המגנטי מושך. הכוח המגנטי נגרם מתנועות חלקיקים אלה.
אתה יכול להשתמש ברעיונות אלה כדי להראות כיצד מגנטיות פועלת באובייקטים יומיומיים. לדוגמה, אם אתה מציב מגנט ניאודימיום ליד מברג פלדה ומעביר אותו למעלה, במורד הפיר ואז מסיר את המגנט, המברג עשוי לשמור על מגנטיות מסוימת בתוכו. זה קורה בגלל השדות המגנטיים האינטראקטיביים בין שני האובייקטים היוצרים את הכוח האטרקטיבי כאשר הם מבטלים זה את זה.
הגדרה זו דוחה ומושכת את כל השימושים במגנטים ובשדות מגנטיים. עקוב אחר ההוראות המתאימות לדחייה ולמשיכה.
כוח מגנטי בין חוטים
•••סייד חוסיין את'ר
עבור זרמים, המעבירים מטענים דרך חוטים, ניתן לקבוע את הכוח המגנטי כמושך או דוחה בהתבסס על מיקומי החוטים ביחס זה לזה וכיוון הזרם זז. לזרמים בחוטים עגולים, תוכלו להשתמש ביד ימין כדי לקבוע כיצד צצים שדות מגנטיים.
הכלל הימני לזרמים בלולאות חוטים אומר שאם אתה מציב את אצבעות יד ימין מכורבלות לכיוון של לולאת חוט, אתה יכול לקבוע את כיוון השדה המגנטי שנוצר והמומנט המגנטי, כפי שמוצג בתרשים מֵעַל. זה מאפשר לך לקבוע עד כמה לולאות מושכות או דוחות זו את זו.
הכלל הימני מאפשר לך גם לקבוע את כיוון השדה המגנטי שהזרם בחוט ישר פולט. במקרה זה, אתה מכוון את האגודל הימני לכיוון הזרם דרך חוט החשמל. כיוון האופן בו מתפתלות אצבעות יד ימין שלך את כיוון השדה המגנטי?
מדוגמאות אלה של שדה מגנטי המושרה על ידי זרמים, ניתן לקבוע את הכוח המגנטי בין שני חוטים כתוצאה מכך קווי שדה מגנטיים אלה.
הגדרת חשמל ודוחה ומושכת
•••סייד חוסיין את'ר
השדות המגנטיים בין לולאות חוטי הזרם מושכים או דוחים בהתאם לכיוון הזרם החשמלי ולכיוון השדות המגנטיים הנובעים מהם. הרגע הדיפול המגנטי הוא כוחו וכיוונו של מגנט המייצר את השדה המגנטי. בתרשים שלעיל, המשיכה או הדחייה המתקבלים מראה תלות זו.
אתה יכול לדמיין את קווי השדות המגנטיים שזרמים חשמליים אלה נותנים כמתפתלים סביב כל חלק בלולאת החוט הנוכחית. אם כיווני הלולאה הללו בין שני החוטים נמצאים בכיוונים מנוגדים זה לזה, החוטים ימשכו זה את זה. אם הם נמצאים בכיוונים מנוגדים זה מזה, הלולאות ידחו זה את זה.
מגנטים דוחים ומושכים חשמל
המשוואת לורנץמודד את הכוח המגנטי בין חלקיק בתנועה בשדה מגנטי. המשוואה היא
F = qE + qv \ פעמים B.
בוFהוא הכוח המגנטי,שהוא המטען של החלקיק הטעון,ההוא השדה החשמלי,vהוא מהירות החלקיק, ובהוא השדה המגנטי. במשוואה, x מציין את התוצר הצלב ביןqvוב.
ניתן להסביר את המוצר הצלב בגיאומטריה ובגרסה אחרת של הכלל הימני. הפעם, אתה משתמש בכלל הימני ככלל לקביעת כיוון הווקטורים במוצר הצלב. אם החלקיק נע בכיוון שאינו מקביל לשדה המגנטי, החלקיק יידחק על ידו.
משוואת לורנץ מראה את הקשר הבסיסי בין חשמל למגנטיות. זה יוביל לרעיונות של שדה אלקטרומגנטי וכוח אלקטרומגנטי שייצג את הרכיבים החשמליים והמגנטיים של התכונות הפיזיקליות הללו.
מוצר צולב
הכלל הימני אומר לך שהתוצר המוצלב בין שני וקטורים,אוב, הוא בניצב אליהם אם אתה מכוון את האצבע הימנית לכיווןבואת האצבע האמצעית הימנית שלך לכיווןא. האגודל שלך יצביע לכיווןג, הווקטור שנוצר מהתוצר הצלב שלאוב. הווקטורגבעל גודל הנתון על ידי שטח המקבילית שמווקטוריםאובלְהַקִיף.
•••סייד חוסיין את'ר
תוצר הצלב תלוי בזווית בין שני הווקטורים שכן זה קובע את שטח המקבילית המשתרע בין שני הווקטורים. ניתן לקבוע מוצר צולב לשני וקטורים כ-
a \ times b = | a || b | \ sin {\ theta}
לזווית כלשהיθבין הווקטוריםאוב,תוך התחשבות זה מצביע על הכיוון שניתן על ידי הכלל הימני ביןאוב.
כוח מגנטי של מצפן
שני עמודי צפון דוחים זה את זה, ושני עמודי דרום גם דוחים זה את זה בדיוק כמו איך מטענים חשמליים דוחים זה את זה ומטענים מנוגדים מושכים זה את זה. מחט המצפן המגנטית של מצפן נעה עם מומנט, כוח הסיבוב של גוף בתנועה. ניתן לחשב מומנט זה באמצעות תוצר צולב של הכוח הסיבובי, מומנט, כתוצאה של הרגע המגנטי עם השדה המגנטי.
במקרה זה, אתה יכול להשתמש ב"טאו "
\ tau = m \ פעמים B = | m || B | \ sin {\ theta}
איפהMהוא הרגע הדיפול המגנטי,בהוא השדה המגנטי, וθהיא הזווית בין שני הווקטורים האלה. אם אתה קובע כמה מהכוח המגנטי נובע מסיבוב לאובייקט בשדה מגנטי, ערך זה הוא המומנט. אתה יכול לקבוע את הרגע המגנטי או את כוח השדה המגנטי.
מכיוון שמחט מצפן מיישרת את עצמה עם השדה המגנטי של כדור הארץ, היא תפנה צפונה מכיוון שיישור עצמו כך הוא מצב האנרגיה הנמוך ביותר שלה. זה המקום בו הרגע המגנטי והשדה המגנטי מתיישרים זה עם זה והזווית ביניהם היא 0 °. זה המצפן במנוחה אחרי שכל הכוחות האחרים שמניעים את המצפן סבורים. אתה יכול לקבוע את חוזק התנועה הסיבובית הזו באמצעות מומנט.
איתור כוח הדוחה של מגנט
שדה מגנטי גורם לחומר להציג תכונות מגנטיות, במיוחד בקרב אלמנטים כגון קובלט וברזל שיש בהם אלקטרונים לא מזווגים המאפשרים למטענים לנוע ולהופיע שדות מגנטיים. מגנטים המסווגים כפרמגנטיים או דיאמגנטיים מאפשרים לך לקבוע אם כוח מגנטי מושך או דוחה על ידי קטבי המגנט.
לקוטבי די-מגנטים אין או מעט אלקטרונים שאינם מזווגים ואינם יכולים לאפשר למטענים לזרום בחופשיות בקלות רבה כמו לחומרים אחרים. הם נדחים על ידי שדות מגנטיים. בפרמגנטים יש אלקטרונים לא מזווגים המאפשרים לטעון לזרום ולכן הם נמשכים לשדות מגנטיים. כדי לקבוע אם חומר הוא דיאמגנטי או פרמגנטי, קבע כיצד האלקטרונים תופסים אורביטלים על סמך האנרגיה שלהם ביחס לשאר האטום.
ודא שאלקטרונים חייבים לכבוש כל מסלול עם אלקטרון אחד בלבד לפני שבמסלולים יש שני אלקטרונים. אם אתה בסופו של דבר עם אלקטרונים לא מזווגים, כמו במקרה של חמצן O2, החומר פרמגנטי. אחרת, הוא דיאמגנטי, כמו N2. אתה יכול לדמיין את הכוח האטרקטיבי או הדוחה הזה כאינטראקציה של דיפול מגנטי אחד עם השני.
האנרגיה הפוטנציאלית של דיפול בשדה מגנטי חיצוני ניתנת על ידי המוצר הנקודתי בין הרגע המגנטי לשדה המגנטי. האנרגיה הפוטנציאלית הזו היא
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
לזוויתθבין מ 'לב'. מוצר הנקודה מודד את הסכום הסקלרי הנובע מכפלת רכיבי x של וקטור אחד עם רכיבי x של אחרים תוך כדי ביצוע אותו הדבר עבור רכיבי y.
לדוגמא, אם היה לך וקטורa = 2i + 3jוb = 4i + 5j, תוצאת הנקודה המתקבלת של שני הווקטורים תהיה24 + 35 = 23. סימן המינוס במשוואה לאנרגיה פוטנציאלית מציין כי פוטנציאל מוגדר כשלילי לאנרגיות פוטנציאליות גבוהות יותר של כוח מגנטי.