שדה מגנטי: הגדרה, סיבות, נוסחה, יחידות ומדידה (עם דוגמאות)

שדות נמצאים סביבנו. בין אם זה שדה הכבידה שנגרם על ידי מסת כדור הארץ או השדות החשמליים הנוצרים על ידי חלקיקים טעונים כגון אלקטרונים, ישנם שדות בלתי נראים בכל מקום, המייצגים פוטנציאלים וכוחות בלתי נראים המסוגלים להניע חפצים עם הולם מאפיינים.

למשל, שדה חשמלי באזור פירושו שאפשר להטות אובייקט טעון מהנתיב המקורי שלו כשנכנס לאזור, שדה הכבידה בגלל מסת כדור הארץ מחזיק אותך בחוזקה על פני כדור הארץ, אלא אם כן אתה עושה קצת עבודה כדי להתגבר עליו לְהַשְׁפִּיעַ.

שדות מגנטיים הם הגורם לכוחות מגנטיים, וחפצים המפעילים כוחות מגנטיים על עצמים אחרים עושים זאת על ידי יצירת שדה מגנטי. ניתן לזהות שדות מגנטיים על ידי סטיה של מחטי מצפן המתאימים לקווי שדה (הצפון המגנטי של המחט המצביע לכיוון דרום מגנטי). אם אתה לומד חשמל ומגנטיות, למידע נוסף על שדות מגנטיים ועל הכוח המגנטי הוא צעד מכריע במסע שלך.

בפיזיקה באופן כללי, שדות הם וקטורים עם ערכים בכל אזור במרחב שמספרים לך כמה השפעה חזקה או חלשה באותה נקודה וכיוון ההשפעה. לדוגמא, אובייקט עם מסה, כמו השמש, יוצר שדה כבידה, ואובייקטים אחרים עם מסה שנכנסים לשדה זה מושפעים מכוח כתוצאה מכך. כך משיכת הכבידה של השמש שומרת על כדור הארץ במסלול סביבו.

רחוק יותר במערכת השמש, כגון בטווח מסלול אורנוס, אותו כוח חל, אך הכוח נמוך בהרבה. זה תמיד מכוון ישר אל השמש; אם אתה מדמיין אוסף של חיצים המקיפים את השמש, כולם מכוונים לעברה אך באורכים ארוכים יותר למרחקים קרובים (כוח חזק יותר) ואורכים קטנים יותר למרחקים ארוכים (כוח חלש יותר), בעצם דמיינתם את שדה הכבידה בשמש מערכת.

באותו אופן זה, עצמים עם מטען יוצרים שדות חשמליים, ומטענים נעים נוצריםשדה מגנטי, אשר יכול להוליד כוח מגנטי באובייקט טעון סמוך או בחומרים מגנטיים אחרים.

שדות אלה מורכבים מעט יותר מבחינת צורתם מאשר שדות הכבידה, מכיוון שיש להם מגנטים לולאתיים קווי שדה שיוצאים מהקוטב החיובי (או הקוטב הצפוני) ומסתיימים בקוטב השלילי (או הקוטב הדרומי), אך הם ממלאים את אותו בסיס תַפְקִיד. הם כמו קווי כוח, המספרים לך כיצד יתנהג אובייקט המונח במיקום. ניתן לדמיין זאת בבירור באמצעות תיוקי ברזל, אשר יתיישרו עם השדה המגנטי החיצוני.

שדות מגנטיים הםתמיד​ ​שדות דיפולאז אין מונופולים מגנטיים. בדרך כלל, שדות מגנטיים מיוצגים באותבאך אם שדה מגנטי עובר דרך חומר מגנטי, הדבר יכול להיות מקוטב וליצור שדה מגנטי משלו. שדה שני זה תורם לשדה הראשון, והשילוב בין השניים מתייחס באותה, איפה

עם μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H / m (כלומר, החדירות המגנטית של שטח פנוי) ו- K_M בהיותו החדירות היחסית של החומר המדובר.

כמות השדה המגנטי העוברת באזור נתון נקראת השטף המגנטי. צפיפות השטף המגנטי קשורה לחוזק השדה המקומי. מכיוון ששדות מגנטיים הם תמיד דו קוטביים, השטף המגנטי הנקי דרך משטח סגור הוא 0. (כל קווי שדה שיוצאים מהשטח, בהכרח נכנסים אליו שוב, מבטלים.)

יחידת SI של חוזק השדה המגנטי היא הטסלה (T), שם:

1 טסלה = 1 T = 1 ק"ג לשנייה² = 1 V s / m² = 1 N / A מ '

יחידה נוספת שנמצאת בשימוש נרחב לחוזק השדה המגנטי היא הגאוס (G), שם:

גאוס 1 = 1 גרם = 10⁻⁴ ט

הטסלה היא יחידה די גדולה, ולכן במצבים מעשיים רבים הגאוס הוא בחירה שימושית יותר - למשל, א מגנט למקרר יהיה בעל חוזק של כ 100 גרם, בעוד שהשדה המגנטי של כדור הארץ על פני כדור הארץ הוא בערך 0.5 G.

חשמל ומגנטיות שזורים ביסודם מכיוון ששדות מגנטיים נוצרים על ידי מטען נע (כמו זרמים חשמליים) או שדות חשמליים משתנים, בעוד ששדה מגנטי משתנה מייצר חשמל שדה.

במגנט בר או באובייקט מגנטי דומה, השדה המגנטי נובע מכמה "תחומים" מגנטיים. הופכים מיושרים, אשר בתורם נוצרים על ידי תנועת האלקטרונים הטעונים סביב גרעיניהם אטומים. תנועות אלה מייצרות שדות מגנטיים קטנים בתוך תחום. ברוב החומרים, תחומים יהיו בעלי יישור אקראי ויבטלו זה את זה, אך בחלקם חומרים, השדות המגנטיים בתחומים הסמוכים מתיישרים, וזה מייצר בקנה מידה גדול יותר מַגנֶטִיוּת.

השדה המגנטי של כדור הארץ נוצר גם על ידי מטען נע, אך במקרה זה תנועת השכבה המותכת המקיפה את ליבת כדור הארץ היא שיוצרת את השדה המגנטי. זה מוסבר על ידיתורת הדינמו, המתאר כיצד נוזל מסתובב וטען חשמלי מייצר שדה מגנטי. הליבה החיצונית של כדור הארץ מכילה ברזל נוזלי הנע כל הזמן, כאשר אלקטרונים עוברים דרך הנוזל ויוצרים את השדה המגנטי.

לשמש יש גם שדה מגנטי, וההסבר לאופן שבו זה עובד דומה מאוד. עם זאת, מהירויות הסיבוב המשתנות של חלקי השמש השונים (כלומר, החומר דמוי הנוזל בקווי רוחב שונים) מובילים לקווי השדה. מסתבכים עם הזמן כמו גם תופעות רבות הקשורות לשמש, כמו התלקחויות שמש וכתמי שמש, והשמש בערך 11 שנים מחזור. לשמש יש שני קטבים, ממש כמו מגנט בר, אך תנועות הפלזמה של השמש והפעילות הסולארית ההולכת וגוברת גורמים לקטבים המגנטיים להתהפך כל 11 שנים.

השדות המגנטיים עקב סידורים שונים של מטען נע צריכים להיות נגזרים בנפרד, אבל ישנן נוסחאות סטנדרטיות רבות שתוכלו להשתמש בהן, כך שלא יהיה לכם "להמציא את הגלגל מחדש" זְמַן. אתה יכול לגזור נוסחאות לכל הסדר של העברת מטען באמצעות חוק ביוט-סוארט או חוק אמפר-מקסוול. עם זאת, הנוסחאות המתקבלות לסידורים פשוטים של זרם חשמלי הן כל כך נפוצות ומצוטטות שתוכלו פשוט התייחס אליהם כאל "נוסחאות סטנדרטיות" במקום להפיק אותם מדי פעם מחוק ביוט-סווארט או אמפר-מקסוול.

השדה המגנטי של זרם ישר נקבע מחוק אמפר (צורה פשוטה יותר של חוק אמפר-מקסוול) כ:

איפהμ​₀ הוא כהגדרתו קודם,אניהוא הזרם במגברים ורהוא המרחק מהחוט שאתה מודד את השדה המגנטי.

השדה המגנטי במרכז לולאה הנוכחית ניתן על ידי:

איפהרהוא רדיוס הלולאה, והסמלים האחרים הם כהגדרתם בעבר.

לבסוף, השדה המגנטי של סולנואיד ניתן על ידי:

איפהנהוא מספר הסיבובים ולהוא אורכו של הסולנואיד. השדה המגנטי של סולנואיד מרוכז במידה רבה במרכז הסליל.

ללמוד להשתמש במשוואות הללו (וכאלה שכאלה) הוא הדבר העיקרי שתצטרך לעשות בעת חישוב שדה מגנטי או את הכוח המגנטי שנוצר, כך שדוגמה של כל אחת מהן תעזור לך להתמודד עם סוג הבעיות שאתה צפוי פְּגִישָׁה.

עבור חוט ישר ארוך הנושא זרם של 5 אמפר (כלומר, I = 5 A), מה חוזק השדה המגנטי במרחק 0.5 מ 'מהחוט?

שימוש במשוואה הראשונה עם I = 5 A ו- r = 0.5 m נותן:

עכשיו עבור לולאה הנוכחית הנושאת I = 10 A וברדיוס של r = 0.2 מ ', מהו השדה המגנטי במרכז הלולאה? המשוואה השנייה נותנת:

לבסוף, עבור סולנואיד עם N = 15 סיבובים באורך L = 0.1 מ ', הנושא זרם של 4 A, מהו עוצמת השדה המגנטי במרכז?

המשוואה השלישית נותנת:

דוגמאות אחרות של שדות מגנטיים עשויות לעבוד קצת אחרת - למשל, לומר לך את השדה שבמרכז a סולנואיד וזרם, אך מבקש את יחס N / L - אך כל עוד אתה מכיר את המשוואות, לא תהיה לך בעיה עונה להם.