Laukai yra aplink mus. Nesvarbu, ar tai gravitacinis laukas, kurį sukelia Žemės masė, ar elektriniai laukai, kuriuos sukuria įkrautos dalelės, tokios kaip elektronai, visur yra nematomi laukai, vaizduojantys potencialus ir nematytas jėgas, galinčius tinkamai judinti objektus charakteristikos.
Pavyzdžiui, elektrinis laukas srityje reiškia, kad įkrautas objektas gali būti nukreiptas nuo pradinio kelio, kai jis patenka į regioną, ir gravitacinis laukas dėl Žemės masės palaiko jus tvirtai ant žemės paviršiaus, nebent jūs dirbate tam, kad įveiktumėte jo masę įtaką.
Magnetiniai laukai yra magnetinių jėgų priežastis, o daiktai, darantys magnetines jėgas kitiems objektams, tai daro sukurdami magnetinį lauką. Magnetinius laukus galima aptikti nukreipiant kompaso adatas, kurios rikiuojasi su lauko linijomis (magnetinė šiaurinė adatos dalis nukreipta į magnetinius pietus). Jei studijuojate elektrą ir magnetizmą, svarbiausias žingsnis jūsų kelionėje yra daugiau sužinoti apie magnetinius laukus ir magnetinę jėgą.
Kas yra magnetinis laukas?
Fizikoje apskritai laukai yra vektoriai, kurių vertės yra kiekviename kosmoso regione, nurodančios, koks stiprus ar silpnas yra poveikis tuo metu, ir efekto kryptis. Pavyzdžiui, objektas, turintis masę, kaip ir saulė, sukuria gravitacinį lauką, o dėl to jėga veikia kitus objektus, kurių masė patenka į tą lauką. Taip saulės gravitacinė trauka palaiko Žemę orbitoje aplink ją.
Toliau Saulės sistemoje, pavyzdžiui, Urano orbitos diapazone, veikia ta pati jėga, tačiau jėga yra daug mažesnė. Jis visada nukreiptas tiesiai į saulę; jei įsivaizduojate saulę supančių strėlių rinkinį, visi nukreipti į ją, bet ilgesniais atstumais iš arti (stipresnė jėga) ir mažesni ilgiai dideliais atstumais (silpnesnė jėga), jūs iš esmės įsivaizdavote saulės traukos lauką sistema.
Lygiai taip pat kaip ir objektai, turintys krūvį, sukuria elektrinius laukus, o judantys krūviaimagnetiniai laukai, kuri gali sukelti netoliese įkrauto objekto ar kitų magnetinių medžiagų magnetinę jėgą.
Šie laukai yra šiek tiek sudėtingesni formos atžvilgiu nei gravitaciniai laukai, nes juose yra magnetiniai kontūrai lauko linijos, išeinančios iš teigiamo (arba šiaurės ašigalio) ir baigiančios neigiamą (arba pietų ašigalį), tačiau jos užpildo tą patį pagrindą vaidmuo. Jie yra tarsi jėgos linijos, nurodančios, kaip elgsis vietoje įdėtas objektas. Tai galite aiškiai vizualizuoti naudodamiesi geležinėmis drožlėmis, kurios sutaps su išoriniu magnetiniu lauku.
Magnetiniai laukai yravisada dipolio laukai, todėl nėra magnetinių monopolių. Paprastai magnetiniai laukai vaizduojami raideB, bet jei magnetinis laukas praeina per magnetinę medžiagą, tai gali poliarizuotis ir generuoti savo magnetinį lauką. Šis antrasis laukas prisideda prie pirmojo lauko, o jų derinys nurodomas laiškuH, kur
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {ir} \ mu_m = K_m \ mu_0
su μ0 = 4π × 10−7 H / m (t. Y. Laisvos vietos magnetinis pralaidumas) ir Km yra santykinis nagrinėjamos medžiagos pralaidumas.
Magnetinio lauko kiekis, praeinantis per tam tikrą plotą, vadinamas magnetiniu srautu. Magnetinio srauto tankis yra susijęs su vietinio lauko stiprumu. Kadangi magnetiniai laukai visada yra dipoliniai, grynasis magnetinis srautas per uždarą paviršių yra 0. (Bet kurios lauko linijos, išeinančios iš paviršiaus, būtinai įveskite jį dar kartą, panaikindamos.)
Vienetai ir matavimas
SI magnetinio lauko stiprumo vienetas yra tesla (T), kur:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Kitas plačiai naudojamas magnetinio lauko stiprumo vienetas yra gausas (G), kur:
1 gausas = 1 G = 10−4 T
Tesla yra gana didelis vienetas, todėl daugelyje praktinių situacijų gausa yra naudingesnis pasirinkimas, pavyzdžiui, a šaldytuvo magneto stiprumas bus apie 100 G, o Žemės magnetinis laukas Žemės paviršiuje yra apie 0,5 G.
Magnetinių laukų priežastys
Elektra ir magnetizmas yra iš esmės susipynę, nes magnetiniai laukai susidaro judant krūviui (kaip elektros srovės) ar besikeičiantys elektriniai laukai, tuo tarpu besikeičiantis magnetinis laukas generuoja elektrinį srityje.
Strypo magnete ar panašiame magnetiniame objekte magnetinis laukas atsiranda dėl kelių magnetinių „domenų“ tampantys išlyginti, kuriuos savo ruožtu sukuria įkrautų elektronų judėjimas aplink jų branduolius atomai. Šie judesiai sukuria mažus magnetinius laukus srityje. Daugumoje medžiagų domenai bus atsitiktinai sulyginti ir panaikins vienas kitą, tačiau kai kuriuose medžiagų, gretimų sričių magnetiniai laukai išsilygina, ir tai sukuria didesnio masto magnetizmas.
Žemės magnetinis laukas taip pat susidaro judant krūviui, tačiau šiuo atveju magnetinį lauką sukuria Žemės šerdį supančio išlydyto sluoksnio judėjimas. Tai paaiškinamadinamo teorija, kuriame aprašoma, kaip sukamasis, elektra įkrautas skystis sukuria magnetinį lauką. Žemės išorinėje šerdyje yra nuolat judanti skysta geležis, elektronui einant per skystį ir generuojant magnetinį lauką.
Saulė taip pat turi magnetinį lauką, o paaiškinimas, kaip tai veikia, yra labai panašus. Tačiau nevienodas skirtingų saulės dalių (t. Y. Skysčio tipo medžiagos skirtingose platumose) sukimosi greitis lemia lauko linijas laikui bėgant susipainioti, taip pat daugybė su saule susijusių reiškinių, tokių kaip saulės žybsniai ir saulės dėmės bei maždaug 11 metų saulės ciklas. Saulė turi du polius, kaip ir juostos magnetas, tačiau saulės plazmos judesiai ir palaipsniui didėjantis saulės aktyvumas priverčia magnetinius polius pasisukti kas 11 metų.
Magnetinio lauko formulės
Magnetiniai laukai dėl skirtingų judančio krūvio išdėstymų turi būti gaunami atskirai, tačiau yra daugybė standartinių formulių, kurias galite naudoti, kad ne kiekviena „išradinėtumėte ratą“ laikas. Naudodami „Biot-Savart“ įstatymą arba „Ampere-Maxwell“ įstatymą, galite išvesti bet kokio judančio krūvio išdėstymo formules. Tačiau gautos paprastų elektros srovės išdėstymo formulės yra taip dažnai naudojamos ir cituojamos, kad galite paprasčiausiai traktuokite jas kaip „standartines formules“, o ne kiekvieną kartą kildinkite jas iš Biot-Savart ar Ampere-Maxwell įstatymų.
Tiesiosios linijos srovės magnetinis laukas nustatomas pagal Ampere'o dėsnį (paprastesnę Ampere-Maxwello dėsnio formą):
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Kurμ0 yra kaip apibrėžta anksčiau,Ašyra srovė amperais irryra atstumas nuo vielos, kurią matuojate magnetinį lauką.
Magnetinį lauką srovės kilpos centre pateikia:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
KurRyra kilpos spindulys, o kiti simboliai yra tokie, kaip apibrėžta anksčiau.
Galiausiai magnetinį magnetą lauke pateikia:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
KurNyra posūkių skaičius irLyra solenoido ilgis. Magnetinis magnetinis laukas daugiausia sutelktas ritės centre.
Skaičiavimų pavyzdys
Išmokti naudoti šias (ir panašias) lygtis yra pagrindinis dalykas, kurį turėsite padaryti apskaičiuodami magnetinį lauką arba kylanti magnetinė jėga, todėl kiekvienos iš jų pavyzdys padės išspręsti problemas, kurios jums gali kilti susidurti.
Koks ilgio tiesaus laido, perduodančio 5 amperų srovę (t. Y., I = 5 A), magnetinio lauko stipris yra 0,5 m atstumu nuo laido?
Naudojant pirmąją lygtį, kai I = 5 A ir r = 0,5 m, gaunama:
\ begin {aligned} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ text {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ text {T} \ end {aligned}
Dabar, kai srovės kilpa turi I = 10 A, o spindulys r = 0,2 m, koks yra magnetinis laukas kilpos centre? Antroji lygtis suteikia:
\ begin {aligned} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ text {m}} \\ & = 3.14 × 10 ^ {- 5} \ text {T} \ end {aligned}
Galiausiai, koks yra magnetinio lauko stipris centre, kai N = 15 posūkių yra L = 0,1 m ilgio ir kurių A srovė yra 4 A srovė?
Trečioji lygtis suteikia:
\ begin {aligned} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {turn}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {aligned}
Kiti magnetinio lauko skaičiavimo pavyzdžiai gali veikti šiek tiek kitaip, pavyzdžiui, pasakyti jums lauką a centre solenoidas ir srovė, tačiau reikalaujant N / L santykio, bet kol nesusipažinsite su lygtimis, neturėsite problemų atsakydamas į juos.