მინდვრები ჩვენს გარშემოა. იქნება ეს გრავიტაციული ველი, რომელიც გამოწვეულია დედამიწის მასით ან ელექტრული ველები, რომლებიც შექმნილია დამუხტული ნაწილაკებით, როგორიცაა ელექტრონები, ყველგან არის უხილავი ველები, რომლებიც წარმოადგენენ პოტენციალებსა და არნახულ ძალებს, რომლებსაც შეუძლიათ ობიექტების შესაბამისი გადაადგილება მახასიათებლები
მაგალითად, ელექტრული ველი მიდამოში ნიშნავს, რომ დამუხტული ობიექტი შეიძლება გადაადგილდეს თავდაპირველი ბილიკიდან რეგიონში შესვლისას და დედამიწის მასის გამო გრავიტაციული ველი მყარად გიცავს დედამიწის ზედაპირზე, თუ რაიმე სამუშაოს არ ასრულებთ მისი გადასალახად გავლენა
მაგნიტური ველები არის მაგნიტური ძალების მიზეზი და ობიექტები, რომლებიც მაგნიტურ ძალებს ახდენენ სხვა ობიექტებზე, აკეთებენ მაგნიტური ველის შექმნით. მაგნიტური ველების დადგენა შესაძლებელია კომპასის ნემსების გადახრით, რომლებიც მოთავსებულია ველის ხაზებთან (ნემსის მაგნიტური ჩრდილოეთი მიმართულია მაგნიტური სამხრეთისკენ). თუ ელექტროენერგიასა და მაგნეტიზმს სწავლობთ, თქვენი მოგზაურობის გადამწყვეტი ნაბიჯია მაგნიტური ველისა და მაგნიტური ძალის შესახებ მეტი ინფორმაციის მიღება.
რა არის მაგნიტური ველი?
ზოგადად ფიზიკაში, ველები ვექტორებია მნიშვნელობებით სივრცის თითოეულ რეგიონში, რომლებიც გიჩვენებენ რამდენად ძლიერი ან სუსტია ეფექტი ამ ეტაპზე და ეფექტის მიმართულება. მაგალითად, მასის მქონე ობიექტი, ისევე როგორც მზე, ქმნის გრავიტაციულ ველს და მასში მასის მქონე სხვა ობიექტებზე გავლენას ახდენს ძალა. ასე ინახავს მზის გრავიტაციული მიზიდვა დედამიწას მის გარშემო ორბიტაზე.
მზის სისტემაში უფრო შორს, მაგალითად ურანის ორბიტის დიაპაზონში, იგივე ძალა მოქმედებს, მაგრამ ძალა გაცილებით დაბალია. ის ყოველთვის მზისკენ არის მიმართული; თუ წარმოიდგინეთ ისრების კოლექცია, რომლებიც მზეს გარს უვლის, ყველა მისკენ მიუთითებს, მაგრამ უფრო დიდი სიგრძით ახლო მანძილზე (უფრო ძლიერი ძალა) და უფრო მცირე სიგრძე დიდ მანძილზე (უფრო სუსტი ძალა), თქვენ წარმოიდგინეთ გრავიტაციული ველი მზის სისტემა
ისევე, როგორც ეს, მუხტით დატვირთული ობიექტები ქმნიან ელექტრულ ველებს და წარმოიქმნება მოძრავი მუხტებიმაგნიტური ველები, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მაგნიტური ძალა ახლომდებარე დამუხტულ ობიექტში ან სხვა მაგნიტურ მასალებში.
ეს ველები ფორმის მხრივ ცოტა უფრო რთულია, ვიდრე გრავიტაციული ველები, რადგან მათ აქვთ მაგნიტური მარყუჟი ველის ხაზები, რომლებიც გამოდიან პოზიტიური (ან ჩრდილო პოლუსიდან) და მთავრდება უარყოფითი (ან სამხრეთ პოლუსით), მაგრამ ისინი ავსებენ ერთსა და იმავე ძირითადს როლი ისინი ძალების ხაზებს ჰგვანან, რომლებიც გიჩვენებენ, თუ როგორ მოიქცევა ადგილზე განთავსებული ობიექტი. ამის გარკვევა შეგიძლიათ რკინის შევსების გამოყენებით, რომელიც გასწორდება გარე მაგნიტურ ველთან.
მაგნიტური ველები არისყოველთვის დიპოლური ველები, ასე რომ, მაგნიტური მონოპოლები არ არსებობს. საერთოდ, მაგნიტური ველები გამოსახულია ასოთიბ, მაგრამ თუ მაგნიტური ველი გადის მაგნიტურ მასალაში, ეს შეიძლება გახდეს პოლარიზებული და წარმოქმნას საკუთარი მაგნიტური ველი. ეს მეორე ველი ხელს უწყობს პირველ ველს და ორივეს კომბინაციას წერილში მიუთითებსჰსად
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {და} \ mu_m = K_m \ mu_0
μ- ით0 = 4π × 10−7 H / m (ანუ თავისუფალი სივრცის მაგნიტური გამტარობა) და Kმ მოცემული მასალის ფარდობითი გამტარობაა.
მოცემულ არეალში გავლილი მაგნიტური ველის რაოდენობას ეწოდება მაგნიტური ნაკადი. მაგნიტური ნაკადის სიმკვრივე დაკავშირებულია ადგილობრივი ველის სიმკვრივესთან. მას შემდეგ, რაც მაგნიტური ველები ყოველთვის დიპოლარულია, დახურული ზედაპირის მეშვეობით მაგნიტური ქსელი არის 0. (ნებისმიერი საველე ხაზი, რომელიც გამოდის ზედაპირიდან, აუცილებლად შევა ისევ, გაუქმდება).
ერთეულები და გაზომვა
მაგნიტური ველის სიძლიერის SI ერთეული არის ტესლა (T), სადაც:
1 ტესლა = 1 ტ = 1 კგ / წმ2 = 1 ვ / წმ2 = 1 N / A მ
მაგნიტური ველის სიძლიერის კიდევ ერთი ფართოდ გამოყენებადი ერთეული არის გაუსი (G), სადაც:
1 გაუსი = 1 გ = 10−4 თ
ტესლა საკმაოდ დიდი ერთეულია, ამიტომ ბევრ პრაქტიკულ სიტუაციაში გაუსი უფრო სასარგებლო არჩევანია - მაგალითად, ა მაცივრის მაგნიტს ექნება დაახლოებით 100 გ ძალა, ხოლო დედამიწის მაგნიტური ველი დედამიწის ზედაპირზეა დაახლოებით 0,5 გ
მაგნიტური ველის მიზეზები
ელექტროენერგია და მაგნეტიზმი ძირეულად არის გადაჯაჭვული, რადგან მაგნიტური ველები წარმოიქმნება მოძრავი მუხტით (ელექტრული დენების მსგავსად) ან ელექტრული ველების შეცვლა, ხოლო ცვალებადი მაგნიტური ველი წარმოქმნის ელექტროს ველი
ბარის მაგნიტში ან მსგავს მაგნიტურ ობიექტში მაგნიტური ველი რამდენიმე მაგნიტური "დომენის" შედეგია ხდება გასწორებული, რაც თავის მხრივ იქმნება დამუხტული ელექტრონების მოძრაობის შედეგად მათი ბირთვების გარშემო ატომები. ეს მოძრაობები წარმოქმნის მცირე მაგნიტურ ველებს დომენში. უმეტეს მასალებში, დომენებს ექნებათ შემთხვევითი გასწორება და გააუქმებენ ერთმანეთს, მაგრამ ზოგიერთში მასალები, მაგნიტური ველები მეზობელ დომენებში ხდება გასწორებული და ეს წარმოქმნის უფრო მასშტაბურ მასშტაბებს მაგნეტიზმი.
დედამიწის მაგნიტური ველი ასევე წარმოიქმნება მოძრავი მუხტით, მაგრამ ამ შემთხვევაში, დედამიწის ბირთვს გარშემორტყმული ფენის მოძრაობა ქმნის მაგნიტურ ველს. ეს აიხსნება იმითდინამოს თეორია, რომელიც აღწერს, თუ როგორ წარმოქმნის მბრუნავი, ელექტრონულად დამუხტული სითხე მაგნიტურ ველს. დედამიწის გარე ბირთვი შეიცავს მუდმივად მოძრავ თხევად რკინას, ელექტრონები მოძრაობენ სითხეში და წარმოქმნიან მაგნიტურ ველს.
მზეს აქვს მაგნიტური ველი და ახსნა თუ როგორ მუშაობს ეს ძალიან ჰგავს. ამასთან, მზის სხვადასხვა ნაწილის სხვადასხვა როტაციის სიჩქარე (მაგ. სითხის მსგავსი მასალა სხვადასხვა განედზე) იწვევს ველის ხაზებს დროთა განმავლობაში ჩახლართვა, ისევე როგორც მზესთან დაკავშირებული მრავალი ფენომენი, როგორიცაა მზის ანთება და მზის ლაქები და დაახლოებით 11 წლის მზე ციკლი მზეს აქვს ორი პოლუსი, ისევე როგორც ბარის მაგნიტი, მაგრამ მზის პლაზმური მოძრაობა და თანდათან მზარდი მზის აქტივობა იწვევს მაგნიტურ პოლუსებს ყოველ 11 წელიწადში.
მაგნიტური ველის ფორმულები
მაგნიტური ველები მოძრავი მუხტის სხვადასხვა მოწყობის გამო ინდივიდუალურად უნდა წარმოიქმნას, მაგრამ ბევრი სტანდარტული ფორმულის გამოყენება შეგიძლიათ, რათა ყველას არ ჰქონდეთ "ბორბლის ხელახლა გამოგონება" დრო შეგიძლიათ მიიღოთ ფორმულები, ძირითადად, მოძრავი მუხტის ნებისმიერი მოწყობის შესახებ ბიოტ-სავარტის კანონის ან ამპერ-მაქსველის კანონის გამოყენებით. ამასთან, ელექტრული დენის მარტივი მოწყობის შედეგად მიღებული ფორმულები ისე ხშირად გამოიყენება და ციტირებულია, რომ შეგიძიათ უბრალოდ მოექეცით მათ როგორც "სტანდარტულ ფორმულებს" და არა ყოველ ჯერზე ბიოტ-სავარტის ან ამპერ-მაქსველის კანონიდან გამომდინარე.
სწორი ხაზის დენის მაგნიტური ველი განისაზღვრება ამპერეს კანონიდან (ამპერ-მაქსველის კანონის უფრო მარტივი ფორმა), როგორც:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
სადμ0 როგორც ადრე განისაზღვრა,მეარის ამპერებში დარარის მანძილი მავთულიდან, რომელსაც გაზომავთ მაგნიტური ველი.
მაგნიტური ველი მიმდინარე ციკლის ცენტრში მოცემულია:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
სადრარის მარყუჟის რადიუსი და სხვა სიმბოლოები ისეა განსაზღვრული, როგორც ადრე.
დაბოლოს, სოლენოიდის მაგნიტურ ველს იძლევა:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
სადნარის ბრუნვების რაოდენობა დალარის სოლენოიდის სიგრძე. სოლენოიდის მაგნიტური ველი მეტწილად კონცენტრირებულია სპირალის ცენტრში.
მაგალითი გათვლები
ამ განტოლებების (და მათნაირი მსგავსი) გამოყენების სწავლა მთავარია, რაც უნდა გააკეთოთ მაგნიტური ველის გამოთვლისას ან შედეგად მიღებული მაგნიტური ძალა, ასე რომ, თითოეული მათგანი დაგეხმარებათ გაუმკლავდეთ ერთგვარი პრობლემების მოსაგვარებლად ნაცნობობა.
გრძელი სწორი მავთულისთვის, რომელსაც 5 ამპერიანი მიმდინარეობა აქვს (მაგ., I = 5 A), რა არის მაგნიტური ველის სიძლიერე მავთულიდან 0,5 მ მანძილზე?
პირველი განტოლების გამოყენებით I = 5 A და r = 0,5 მ იძლევა:
\ დაწყება {გასწორება} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ ტექსტი {H / m} × 5 \ ტექსტი {A}} { 2π × 0,5 \ ტექსტი {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ ტექსტი {T} \ ბოლო {გასწორებული}
ახლა მიმდინარე მარყუჟისთვის, რომელსაც აქვს I = 10 A და რადიუსით r = 0.2 მ, რა არის მაგნიტური ველი მარყუჟის ცენტრში? მეორე განტოლება იძლევა:
\ დაწყება {გასწორება} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ ტექსტი {H / m} × 10 \ ტექსტი {A}} {2 0.2 \ ტექსტი {მ}} \\ & = 3.14 × 10 ^ {- 5} \ ტექსტი {T} \ დასრულება {გასწორებული}
დაბოლოს, N = 15 ბრუნით სოლენოიდისთვის L = 0,1 მ სიგრძის სიგრძით, 4 ა ატარებს მიმდინარეობას, რა არის მაგნიტური ველის ძალა ცენტრში?
მესამე განტოლება იძლევა:
\ დაწყება {გასწორება} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {უხვევს}} {0.1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 10 ^ {- 4} \ text {T} \ დასრულება {გასწორებული}
მაგნიტური ველის სხვა გამოთვლებმა შეიძლება ცოტა განსხვავებულად იმუშაოს - მაგალითად, გეუბნებით ველის ცენტრში სოლენოიდი და მიმდინარე, მაგრამ ითხოვთ N / L თანაფარდობას - მაგრამ სანამ თქვენ იცნობთ განტოლებებს, პრობლემები არ შეგექმნებათ პასუხობს მათ.