Soms zie je magneten elkaar afstoten en soms zie je ze elkaar aantrekken. Het veranderen van de vorm en oriëntatie tussen twee verschillende magneten kan de manier veranderen waarop ze elkaar aantrekken of afstoten.
Door magnetische materialen in meer detail te bestuderen, krijgt u een beter idee van hoe de afstotende kracht van de magneet werkt. Door deze voorbeelden kun je zien hoe genuanceerd en creatief de theorieën en wetenschap van magnetisme kunnen zijn.
De afstotende kracht van een magneet
Tegenpolen trekken elkaar aan. Om uit te leggen waarom magneten elkaar afstoten, wordt een noordkant van een magneet aangetrokken naar het zuiden van een andere magneet. De noord- en noordkant van twee magneten en de zuid- en zuidkant van twee magneten stoten elkaar af. De magnetische kracht is de basis voor elektromotoren en aantrekkelijke magneten voor gebruik in de geneeskunde, industrie en onderzoek.
Om te begrijpen hoe deze afstotende kracht werkt en uit te leggen waarom magneten elkaar afstoten en elektriciteit aantrekken, het is belangrijk om de aard van magnetische kracht te bestuderen en de vele vormen die het aanneemt in verschillende fenomenen in fysica.
Magnetische kracht op deeltjes
Voor twee bewegende geladen deeltjes met ladingenq1enq2en respectieve snelhedenv1env2gescheiden door een straalvectorr, wordt de magnetische kracht ertussen gegeven door deBiot-Savart-wet:
F=\frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2}v_1\times (v_2\times r)
waarin×geeft de aankruisproduct, hieronder toegelicht.μ0 = 12.57×10−7 H/m, wat de magnetische permeabiliteitsconstante is voor een vacuüm. Onthoud|r|is de absolute waarde van de straal. Deze kracht hangt sterk af van de richting van de vectorenv1, v2, en r.
Hoewel de vergelijking lijkt op de elektrische kracht op geladen deeltjes, moet u er rekening mee houden dat de magnetische kracht alleen wordt gebruikt voor bewegende deeltjes. De magnetische kracht houdt ook geen rekening met amagnetische monopool, een hypothetisch deeltje dat maar één pool zou hebben, noord of zuid, terwijl elektrisch geladen deeltjes en objecten in één richting kunnen worden geladen, positief of negatief. Deze factoren veroorzaken de verschillen in de vormen van kracht voor magnetisme en voor elektriciteit.
Theorieën over elektriciteit en magnetisme laten ook zien dat als je twee magnetische monopolen had die niet bewogen, ze zouden nog steeds een kracht ervaren op dezelfde manier als een elektrische kracht zou optreden tussen twee geladen deeltjes.
Wetenschappers hebben echter geen experimenteel bewijs getoond om met zekerheid en vertrouwen te concluderen dat magnetische monopolen bestaan. Als blijkt dat ze bestaan, kunnen wetenschappers op dezelfde manier met elektrisch geladen deeltjes op ideeën komen over 'magnetische lading'.
Magnetisme stoot af en trekt definitie aan
Als je rekening houdt met de richting van de vectorenv1, v2, enr, kunt u bepalen of de kracht ertussen aantrekkelijk of afstotend is. Als je bijvoorbeeld een deeltje hebt dat vooruit beweegt in de x-richting met een snelheidv, dan moet deze waarde positief zijn. Als het in de andere richting beweegt, moet de v-waarde negatief zijn.
Deze twee deeltjes stoten elkaar af als de magnetische krachten bepaald door hun respectieve magnetische velden ertussen elkaar opheffen door in verschillende richtingen van elkaar af te wijzen. Als de twee krachten in verschillende richtingen naar elkaar wijzen, is de magnetische kracht aantrekkelijk. De magnetische kracht wordt veroorzaakt door deze bewegingen van deeltjes.
Je kunt deze ideeën gebruiken om te laten zien hoe magnetisme werkt in alledaagse voorwerpen. Als u bijvoorbeeld een neodymiummagneet in de buurt van een stalen schroevendraaier plaatst en deze langs de schacht omhoog en omlaag beweegt en vervolgens de magneet verwijdert, kan de schroevendraaier wat magnetisme in zich vasthouden. Dit gebeurt door de op elkaar inwerkende magnetische velden tussen de twee objecten die de aantrekkingskracht creëren wanneer ze elkaar opheffen.
Deze definitie van afstoten en aantrekken geldt voor alle toepassingen van magneten en magnetische velden. Houd bij welke richtingen overeenkomen met afstoting en aantrekking.
Magnetische kracht tussen draden
•••Syed Hussain Ather
Voor stromen, die ladingen door draden verplaatsen, kan de magnetische kracht worden bepaald als aantrekkelijk of afstotend op basis van de locaties van de draden ten opzichte van elkaar en de richting van de stroom beweegt. Voor stromen in cirkelvormige draden kun je met de rechterhand bepalen hoe magnetische velden ontstaan.
De rechterhandregel voor stromen in lussen van draden betekent dat, als u de vingers van uw rechterhand gekruld in de richting van een draadlus, kunt u de richting van het resulterende magnetische veld en het magnetische moment bepalen, zoals weergegeven in het diagram bovenstaande. Hiermee kunt u bepalen hoe lussen onderling aantrekkelijk of afstotend zijn.
Met de rechterhandregel kun je ook de richting bepalen van het magnetische veld dat de stroom in een rechte draad uitzendt. In dit geval wijs je met je rechterduim in de richting van de stroom door de elektrische draad. De richting van hoe de vingers van uw rechterhand krullen, bepaalt de richting van het magnetische veld?
Uit deze voorbeelden van magnetisch veld geïnduceerd door stromen, kunt u de magnetische kracht tussen twee draden bepalen als resultaat van deze magnetische veldlijnen.
Elektriciteit afstoten en aantrekken definitie
•••Syed Hussain Ather
De magnetische velden tussen lussen van stroomdraden zijn aantrekkelijk of afstotend, afhankelijk van de richting van de elektrische stroom en de richting van de magnetische velden die daaruit voortvloeien. Het magnetische dipoolmoment is de sterkte en oriëntatie van een magneet die het magnetische veld produceert. In het bovenstaande diagram toont de resulterende aantrekking of afstoting deze afhankelijkheid.
Je kunt je de magnetische veldlijnen voorstellen die deze elektrische stromen afgeven als krullen rond elk deel van de stroomdraadlus. Als die lusrichtingen tussen de twee draden in tegengestelde richtingen naar elkaar toe zijn, zullen de draden elkaar aantrekken. Als ze in tegengestelde richtingen van elkaar verwijderd zijn, stoten de lussen elkaar af.
Magneten stoten elektriciteit af en trekken deze aan
DeLorentz-vergelijkingmeet de magnetische kracht tussen een deeltje in beweging in een magnetisch veld. De vergelijking is
F=qE+qv\times B
waarinFis de magnetische kracht,qis de lading van het geladen deeltje,Eis het elektrische veld,vis de snelheid van het deeltje, enBis het magnetische veld. In de vergelijking geeft x het uitwendige product aan tussenqvenB.
Het kruisproduct kan worden verklaard met geometrie en een andere versie van de rechterhandregel. Deze keer gebruik je de rechterhandregel als regel om de richting van vectoren in het uitwendige product te bepalen. Als het deeltje beweegt in een richting die niet evenwijdig is aan het magnetische veld, wordt het deeltje erdoor afgestoten.
De Lorentz-vergelijking toont het fundamentele verband tussen elektriciteit en magnetisme. Dit zou leiden tot ideeën over elektromagnetisch veld en elektromagnetische kracht die zowel de elektrische als magnetische componenten van deze fysieke eigenschappen vertegenwoordigen.
Kruisproduct
De rechterhandregel vertelt je dat het uitwendige product tussen twee vectoren,eenenb, is de loodlijn erop als je met je rechterwijsvinger in de richting van wijstben je rechter middelvinger in de richting vaneen. Je duim wijst in de richting vanc, de resulterende vector van het uitwendige product vaneenenb. de vectorcheeft een grootte die wordt gegeven door de oppervlakte van het parallellogram dat vectoreneenenbspan.
•••Syed Hussain Ather
Het uitwendig product hangt af van de hoek tussen de twee vectoren, aangezien dit het gebied van het parallellogram bepaalt dat zich tussen de twee vectoren uitstrekt. Een uitwendig product voor twee vectoren kan worden bepaald als
a\times b = |a||b|\sin{\theta}
voor een bepaalde hoekθtussen vectoreneenenb,in gedachten houdend dat het in de richting wijst die wordt gegeven door de rechterhandregel tussen ruleeenenb.
Magnetische kracht van een kompas
Twee noordpolen stoten elkaar af, en twee zuidpolen stoten elkaar ook af, net zoals elektrische ladingen elkaar afstoten en tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. De magnetische kompasnaald van een kompas beweegt met een koppel, de rotatiekracht van een lichaam in beweging. Je kunt dit koppel berekenen met een kruisproduct van de rotatiekracht, koppel, als resultaat van het magnetische moment met het magnetische veld.
In dit geval kunt u "tau" gebruiken
\tau = m\maal B = |m|| B|\zonde{\theta}
waarmis het magnetische dipoolmoment,Bis het magnetische veld, enθis de hoek tussen die twee vectoren. Als u bepaalt hoeveel van de magnetische kracht het gevolg is van rotatie voor een object in een magnetisch veld, is die waarde het koppel. U kunt het magnetische moment of de kracht van het magnetische veld bepalen.
Omdat een kompasnaald zichzelf uitlijnt met het magnetisch veld van de aarde, zal deze naar het noorden wijzen omdat zichzelf op deze manier uitlijnen de laagste energietoestand is. Dit is waar het magnetische moment en het magnetische veld met elkaar uitgelijnd zijn en de hoek tussen hen 0° is. Het is het kompas in rust nadat er rekening is gehouden met alle andere krachten die het kompas in het rond bewegen. Je kunt de kracht van deze rotatiebeweging bepalen met behulp van koppel.
De afstotende kracht van een magneet detecteren
Een magnetisch veld zorgt ervoor dat materie magnetische eigenschappen vertoont, vooral bij elementen zoals kobalt en ijzer die ongepaarde elektronen hebben die ladingen laten bewegen en magnetische velden laten ontstaan. Magneten die zijn geclassificeerd als paramagnetisch of diamagnetisch, laten u bepalen of een magnetische kracht aantrekkelijk of afstotend is door de polen van de magneet.
Diamagneten hebben geen of weinig ongepaarde elektronen en kunnen ladingen niet zo gemakkelijk vrij laten stromen als andere materialen. Ze worden afgestoten door magnetische velden. Paramagneten hebben ongepaarde elektronen om lading te laten stromen en worden daarom aangetrokken door magnetische velden. Om te bepalen of een materiaal diamagnetisch of paramagnetisch is, bepaalt u hoe elektronen orbitalen bezetten op basis van hun energie ten opzichte van de rest van het atoom.
Zorg ervoor dat elektronen elke orbitaal met slechts één elektron moeten bezetten voordat de orbitalen twee elektronen hebben. Als je ongepaarde elektronen krijgt, zoals bij zuurstof O2, het materiaal is paramagnetisch. Anders is het diamagnetisch, zoals N2. Je kunt je deze aantrekkende of afstotende kracht voorstellen als de interactie van de ene magnetische dipool met de andere.
De potentiële energie van een dipool in een extern magnetisch veld wordt gegeven door het puntproduct tussen het magnetische moment en het magnetische veld. Deze potentiële energie is
U=-m\cdot B=-|m|| B|\cos{\theta}
voor de hoekθtussen m en B. Het puntproduct meet de scalaire som die het resultaat is van het vermenigvuldigen van de x-componenten van de ene vector met de x-componenten van een andere, terwijl hetzelfde wordt gedaan voor y-componenten.
Als u bijvoorbeeld vectora = 2i + 3jenb = 4i + 5j, het resulterende puntproduct van de twee vectoren zou zijn24 + 35 = 23. Het minteken in de vergelijking voor potentiële energie geeft aan dat potentieel wordt gedefinieerd als negatief voor hogere potentiële energieën van magnetische kracht.