Lauki ir mums visapkārt. Vai tas būtu gravitācijas lauks, ko rada Zemes masa, vai elektriskie lauki, ko rada uzlādētas daļiņas, piemēram, elektroni, visur ir neredzami lauki, kas pārstāv potenciālu un neredzētus spēkus, kas spēj pārvietot objektus ar atbilstošu īpašības.
Piemēram, elektriskais lauks apgabalā nozīmē, ka uzlādētu objektu var novirzīt no sākotnējā ceļa, kad tas nonāk reģionā, un gravitācijas lauks, pateicoties Zemes masai, notur jūs stingri uz Zemes virsmas, ja vien neveicat kādu darbu, lai to pārvarētu ietekme.
Magnētiskie lauki ir magnētisko spēku cēlonis, un objekti, kas uz citiem objektiem ietekmē magnētiskos spēkus, to dara, izveidojot magnētisko lauku. Magnētiskos laukus var noteikt, novirzot kompasa adatas, kas sakrīt ar lauka līnijām (magnētiskie ziemeļi no adatas vērsti uz magnētiskajiem dienvidiem). Ja studējat elektrību un magnētismu, uzziniet vairāk par magnētiskajiem laukiem un magnētisko spēku, un tas ir izšķirošs solis jūsu ceļojumā.
Kas ir magnētiskais lauks?
Fizikā kopumā lauki ir vektori, kuru vērtības katrā kosmosa reģionā norāda, cik spēcīgs vai vājš šajā brīdī ir efekts, un efekta virzienu. Piemēram, objekts ar masu, tāpat kā saule, rada gravitācijas lauku, un citus objektus ar masu, kas nonāk šajā laukā, ietekmē spēks. Šādi Saules gravitācijas spēks notur Zemi orbītā ap to.
Tālāk Saules sistēmā, piemēram, Urāna orbītas diapazonā, darbojas tas pats spēks, bet spēks ir daudz mazāks. Tas vienmēr ir vērsts tieši uz sauli; ja jūs iedomājaties bultu kolekciju, kas ieskauj sauli, kas visas vērstas uz to, bet ar garumu tuvā attālumā (spēcīgāks spēks) un mazāks garums lielos attālumos (vājāks spēks), jūs būtībā esat iedomājies gravitācijas lauku Saules sistēmā.
Tādā pašā veidā kā objekti, ar lādiņu rodas elektriskie lauki, un rodas kustīgi lādiņimagnētiskie lauki, kas var izraisīt magnētisko spēku tuvumā uzlādētā objektā vai citos magnētiskos materiālos.
Šie lauki pēc formas ir mazliet sarežģītāki nekā gravitācijas lauki, jo tiem ir magnētiskā cilpa lauka līnijas, kas iziet no pozitīvā (vai ziemeļu pola) un beidzas pie negatīvā (vai dienvidu pola), bet tās aizpilda to pašu pamata lomu. Tās ir kā spēka līnijas, kas norāda, kā uzvedīsies objekts, kas ievietots vietā. Jūs varat to skaidri vizualizēt, izmantojot dzelzs vīles, kas sakrīt ar ārējo magnētisko lauku.
Magnētiskie lauki irvienmēr dipola lauki, tāpēc nav magnētisko monopolu. Parasti magnētiskie lauki tiek attēloti ar burtuB, bet, ja magnētiskais lauks iet caur magnētisko materiālu, tas var kļūt polarizēts un radīt pats savu magnētisko lauku. Šis otrais lauks veicina pirmo lauku, un abu kombinācija ir norādīta ar burtuH, kur
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {un} \ mu_m = K_m \ mu_0
ar μ0 = 4π × 10−7 H / m (t.i., brīvās telpas magnētiskā caurlaidība) un Km attiecīgā materiāla relatīvā caurlaidība.
Magnētiskā lauka daudzumu, kas iet caur noteiktu apgabalu, sauc par magnētisko plūsmu. Magnētiskās plūsmas blīvums ir saistīts ar vietējā lauka intensitāti. Tā kā magnētiskie lauki vienmēr ir dipolāri, neto magnētiskā plūsma caur slēgtu virsmu ir 0. (Jebkuras lauka līnijas, kas iziet no virsmas, obligāti ievadiet to vēlreiz, atceļot.)
Vienības un mērījumi
SI magnētiskā lauka stipruma vienība ir tesla (T), kur:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Vēl viena plaši izmantota magnētiskā lauka intensitātes vienība ir gauss (G), kur:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla ir diezgan liela vienība, tāpēc daudzās praktiskās situācijās gauss ir daudz noderīgāka izvēle, piemēram, a ledusskapja magnēta stiprums būs aptuveni 100 G, savukārt Zemes magnētiskais lauks uz Zemes virsmas ir apmēram 0,5 G.
Magnētisko lauku cēloņi
Elektrība un magnētisms būtībā ir savstarpēji saistīti, jo magnētiskie lauki rodas, pārvietojoties lādiņam (piemēram, elektriskās strāvas) vai mainīgajiem elektriskajiem laukiem, savukārt mainīgais magnētiskais lauks rada elektrisko laukā.
Stieņa magnētā vai līdzīgā magnētiskā objektā magnētiskais lauks rodas no vairākiem magnētiskiem “domēniem” kļūst izlīdzināti, kurus savukārt rada uzlādēto elektronu kustība ap to kodoliem atomi. Šīs kustības rada mazus magnētiskos laukus domēnā. Lielākajā daļā materiālu domēniem būs nejauša izlīdzināšana un viens otru atcels, bet dažos materiāliem, blakus esošo domēnu magnētiskie lauki izlīdzinās, un tas rada lielāku mērogu magnētisms.
Zemes magnētisko lauku rada arī kustīgs lādiņš, taču šajā gadījumā magnētisko lauku rada izkausētā slāņa kustība, kas ieskauj Zemes kodolu. To izskaidrodinamo teorija, kurā aprakstīts, kā rotējošs, elektriski uzlādēts šķidrums rada magnētisko lauku. Zemes ārējais kodols satur pastāvīgi kustīgu šķidru dzelzi, elektroniem pārvietojoties pa šķidrumu un radot magnētisko lauku.
Saulei ir arī magnētiskais lauks, un skaidrojums, kā tas darbojas, ir ļoti līdzīgs. Tomēr dažādu saules daļu (t.i., šķidrumam līdzīga materiāla dažādos platuma grādos) mainīgie rotācijas ātrumi noved pie lauka līnijām laika gaitā sajukums, kā arī daudzas ar sauli saistītas parādības, piemēram, saules uzliesmojumi un saules plankumi, un aptuveni 11 gadus ilgais saules cikls. Saulei ir divi stabi, tāpat kā stieņa magnēts, taču saules plazmas kustības un pakāpeniski pieaugošā saules aktivitāte liek magnētiskajiem stabiem uzsist ik pēc 11 gadiem.
Magnētiskā lauka formulas
Magnētiskie lauki dažādu kustīgā lādiņa izkārtojumu dēļ jāiegūst atsevišķi taču ir daudz standarta formulu, kuras varat izmantot, lai katru reizi netiktu “izgudrots ritenis” laiks. Izmantojot Biot-Savart likumu vai Ampera-Maksvela likumu, jūs varat atvasināt formulas būtībā jebkuram kustīgā lādiņa izkārtojumam. Tomēr iegūtās formulas vienkāršām elektriskās strāvas izkārtojumiem tiek tik bieži izmantotas un citētas, ka varat vienkārši izturieties pret tām kā pret "standarta formulām", nevis katru reizi atvasiniet no Biot-Savart vai Ampere-Maxwell likumiem.
Taisnas līnijas strāvas magnētisko lauku nosaka Amperes likums (vienkāršāka Ampere-Maksvela likuma forma):
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Kurμ0 ir kā definēts iepriekš,Esir strāva ampēros unrir attālums no stieples, kuru mērāt magnētisko lauku.
Magnētisko lauku strāvas cilpas centrā izsaka:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
KurRir cilpas rādiuss, un pārējie simboli ir definēti iepriekš.
Visbeidzot, solenoīda magnētisko lauku nosaka:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
KurNir pagriezienu skaits unLir solenoīda garums. Solenoīda magnētiskais lauks lielā mērā ir koncentrēts spoles centrā.
Aprēķinu piemērs
Mācīšanās izmantot šos vienādojumus (un līdzīgus) ir galvenais, kas jums jādara, aprēķinot magnētisko lauku vai no tā izrietošais magnētiskais spēks, tāpēc katra piemērs palīdzēs jums tikt galā ar iespējamām problēmām sastapties.
Kādam garenam taisnam vadam, kas ved 5 ampēru strāvu (t.i., I = 5 A), kāds ir magnētiskā lauka stiprums 0,5 m attālumā no stieples?
Izmantojot pirmo vienādojumu ar I = 5 A un r = 0,5 m, iegūst:
\ begin {izlīdzināts} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ teksts {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ teksts {T} \ beigas {izlīdzināts}
Tagad, ja strāvas cilpa ir I = 10 A un r = 0,2 m rādiuss, kāds ir magnētiskais lauks cilpas centrā? Otrais vienādojums dod:
\ begin {izlīdzināts} 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}
Visbeidzot, kāds ir magnētiskā lauka stiprums elektromagnētam ar N = 15 pagriezieniem L = 0,1 m garumā un kura strāva ir 4 A?
Trešais vienādojums dod:
\ begin {izlīdzināts} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {pagriezieni}} {0.1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {aligned}
Citi magnētiskā lauka aprēķinu piemēri var darboties nedaudz savādāk, piemēram, pastāstot jums lauku a centrā solenoīds un strāva, bet prasa N / L attiecību - bet, kamēr jūs esat pazīstams ar vienādojumiem, jums nebūs problēmu atbildot uz tiem.