磁石が互いに反発するのを見る場合もあれば、磁石が互いに引き合うのを見る場合もあります。 2つの異なる磁石間の形状と向きを変更すると、互いに引き付けたり反発したりする方法を変えることができます。
磁性材料をより詳細に研究することで、磁石の反発力がどのように機能するかをよりよく理解することができます。 これらの例を通して、磁性の微妙で創造的な理論と科学がいかにあり得るかを見ることができます。
磁石の反発力
反対が引き付けます。 磁石が互いに反発する理由を説明するために、磁石の北端が別の磁石の南に引き付けられます。 2つの磁石の北端と北端、および2つの磁石の南端と南端は互いに反発します。 磁力は、医療、産業、研究で使用するための電気モーターと魅力的な磁石の基礎です。
この反発力がどのように機能するかを理解し、磁石が互いに反発して電気を引き付ける理由を説明するには、 磁力の性質と、磁力がさまざまな現象でとるさまざまな形態を研究することが重要です。 物理。
粒子にかかる磁力
電荷を持つ2つの移動する荷電粒子の場合q1そしてq2およびそれぞれの速度v1そしてv2半径ベクトルで区切られていますr、それらの間の磁力はによって与えられますビオ・サバール法:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ times（v_2 \ times r）
その中で×を示します外積、以下で説明します。μ0 = 12.57×10−7 H / m、これは真空の透磁率定数です。 覚えておいてください| r |は半径の絶対値です。 この力は、ベクトルの方向に非常に密接に依存しますv1, v2、および r.
方程式は荷電粒子にかかる電気力に似ているように見えるかもしれませんが、磁力は粒子の移動にのみ使用されることに注意してください。 磁力も考慮していません磁気単極子、北または南に1つの極しかない架空の粒子であり、荷電粒子および物体は、正または負の単一方向に帯電する可能性があります。 これらの要因により、磁気と電気の力の形に違いが生じます。
電気と磁気の理論は、動いていない2つの磁気単極子がある場合にも示されます。 彼らはまだ2つの充電された間に電気力が発生するのと同じように力を経験します 粒子。
しかし、科学者たちは、磁気単極子が存在することを確実かつ確実に結論付ける実験的証拠を示していません。 それらが存在することが判明した場合、科学者は荷電粒子と同じように「磁気電荷」のアイデアを思いつく可能性があります。
磁性は反発し、定義を引き付ける
ベクトルの方向を覚えている場合v1, v2、およびr、それらの間の力が引力であるか反発力であるかを判断できます。 たとえば、粒子がx方向に速度で前進している場合vの場合、この値は正である必要があります。 反対方向に移動する場合は、v値が負である必要があります。
これらの2つの粒子は、それらの間のそれぞれの磁場によって決定される磁力が、互いに離れた異なる方向を指すことによって互いに打ち消し合う場合、互いに反発します。 2つの力が互いに異なる方向を向いている場合、磁力は魅力的です。 磁力はこれらの粒子の動きによって引き起こされます。
これらのアイデアを使用して、日常のオブジェクトで磁気がどのように機能するかを示すことができます。 たとえば、鋼製のドライバーの近くにネオジム磁石を置き、シャフトを上下に動かしてから磁石を取り外すと、ドライバーはその中にある程度の磁気を保持する場合があります。 これは、2つのオブジェクト間の相互作用する磁場が互いに打ち消し合うときに、引力を生み出すために発生します。
この反発と誘引の定義は、磁石と磁場のすべての用途に当てはまります。 どの方向が反発と引力に対応するかを追跡します。
ワイヤー間の磁力
•••サイードフセインアザー
ワイヤーを介して電荷を移動させている電流の場合、磁力は引力または 互いに対するワイヤの位置と電流の方向に基づいて反発 移動します。 円形ワイヤの電流の場合、右側を使用して、磁場がどのように発生するかを判断できます。
ワイヤーのループ内の電流の右手の法則は、右手の指をその方向にカールさせて置くと、 ワイヤーループの場合、図に示すように、結果として生じる磁場の方向と磁気モーメントを決定できます。 上記。 これにより、ループが互いにどのように魅力的または反発的であるかを判断できます。
右手の法則では、直線の電流が放出する磁場の方向を決定することもできます。 この場合、右手の親指を電線を流れる電流の方向に向けます。 右手の指がどのように曲がるかの方向が磁場の方向を決定しますか？
電流によって誘導される磁場のこれらの例から、結果としてこれらの磁力線を形成する2本のワイヤー間の磁力を決定できます。
電気をはじき、定義を引き付ける
•••サイードフセインアザー
電流ワイヤのループ間の磁場は、電流の方向とそれらから生じる磁場の方向に応じて、引力または反発のいずれかになります。 磁気双極子モーメントは、磁場を生成する磁石の強度と方向です。 上の図では、結果として生じる引力または反発がこの依存関係を示しています。
これらの電流が放出する磁力線は、電流ワイヤーループの各部分の周りをカールしていると想像できます。 2本のワイヤー間のループ方向が互いに反対方向である場合、ワイヤーは互いに引き付け合います。 それらが互いに反対方向にある場合、ループは互いに反発します。
磁石は電気をはじき、引き付けます
ザ・ローレンツ方程式磁場中で運動している粒子間の磁力を測定します。 方程式は
F = qE + qv \ times B
その中でF磁力です、qは荷電粒子の電荷であり、E電界です、vは粒子の速度であり、Bは磁場です。 方程式で、xは間の外積を示しますqvそしてB.
外積は、ジオメトリと右手の法則の別のバージョンで説明できます。 今回は、外積のベクトルの方向を決定するためのルールとして右手の法則を使用します。 粒子が磁場に平行でない方向に移動すると、粒子はそれによって反発されます。
ローレンツ方程式は、電気と磁気の基本的な関係を示しています。 これは、これらの物理的特性の電気的要素と磁気的要素の両方を表す電磁場と電磁力のアイデアにつながります。
クロス積
右手の法則は、2つのベクトル間の外積がaそしてb、は、右手の人差し指を次の方向に向けた場合の垂線です。bとあなたの右中指の方向にa. あなたの親指はの方向を指しますc、の外積から得られるベクトルaそしてb. ベクトルcベクトルする平行四辺形の面積によって与えられる大きさを持っていますaそしてbスパン。
•••サイードフセインアザー
外積は、2つのベクトル間の角度に依存します。これは、2つのベクトル間にまたがる平行四辺形の面積を決定するためです。 2つのベクトルの外積は、次のように決定できます。
a \ times b = | a || b | \ sin {\ theta}
ある角度でθベクトル間aそしてb、それは右手の法則によって与えられた方向を指していることを覚えておいてくださいaそしてb.
コンパスの磁力
2つの北極は互いに反発し、2つの南極も互いに反発します。これは、電荷が互いに反発し、反対の電荷が互いに引き合うようになります。 コンパスの磁気コンパス針は、運動中の物体の回転力であるトルクで動きます。 このトルクは、磁場との磁気モーメントの結果としての回転力、トルクの外積を使用して計算できます。
この場合、「タウ」を使用できます
\ tau = m \ times B = | m || B | \ sin {\ theta}
どこmは磁気双極子モーメントです。Bは磁場であり、θこれらの2つのベクトル間の角度です。 磁場内のオブジェクトの回転による磁力の量を決定する場合、その値がトルクです。 磁気モーメントまたは磁場の力のいずれかを決定できます。
コンパスの針はそれ自体を地球の磁場と整列させるため、このように整列することが最も低いエネルギー状態であるため、北を指します。 これは、磁気モーメントと磁場が互いに整列し、それらの間の角度が0°である場所です。 コンパスを動かす他のすべての力が考慮された後、それは静止しているコンパスです。 この回転運動の強さは、トルクを使用して決定できます。
磁石の反発力の検出
磁場は、特にコバルトや鉄など、電荷を移動させて磁場を発生させる不対電子を持つ元素の間で、物質に磁気特性を示します。 常磁性または反磁性のいずれかに分類される磁石を使用すると、磁力が磁石の極によって引力であるか反発力であるかを判断できます。
反磁性体には不対電子がないか、ほとんどなく、他の材料のように電荷を自由に流すことはできません。 それらは磁場によってはじかれます。 常磁性体は、電荷を流すために不対電子を持っているため、磁場に引き付けられます。 材料が反磁性であるか常磁性であるかを判断するには、原子の残りの部分に対するエネルギーに基づいて、電子が軌道をどのように占めるかを判断します。
軌道が2つの電子を持つ前に、電子が1つの電子だけですべての軌道を占める必要があることを確認してください。 酸素Oの場合のように、不対電子になってしまう場合2、材料は常磁性です。 それ以外の場合は、Nのように反磁性です2. この引力または反発力は、一方の磁気双極子ともう一方の磁気双極子の相互作用として想像できます。
外部磁場における双極子の位置エネルギーは、磁気モーメントと磁場の間の内積によって与えられます。 この位置エネルギーは
U = -m \ cdot B =-| m || B | \ cos {\ theta}
角度のためにθmとBの間。 内積は、y成分に対して同じことを行いながら、あるベクトルのx成分を別のベクトルのx成分に乗算した結果のスカラー和を測定します。
たとえば、あなたがベクトルを持っていた場合a = 2i + 3jそしてb = 4i + 5j、2つのベクトルの結果の内積は次のようになります。24 + 35 = 23. ポテンシャルエネルギーの方程式のマイナス記号は、磁力のポテンシャルエネルギーが高い場合、ポテンシャルが負として定義されていることを示します。