Noen ganger kan det hende at magneter frastøter hverandre, og andre ganger ser de dem tiltrekke hverandre. Endring av form og retning mellom to forskjellige magneter kan endre måten de enten tiltrekker seg eller frastøter hverandre.
Å studere magnetiske materialer mer detaljert kan gi deg en bedre ide om hvordan magnetens frastøtende kraft fungerer. Gjennom disse eksemplene kan du se hvor nyanserte og kreative magnetismens teorier og vitenskap kan være.
En magnets frastøtende kraft
Motsetninger tiltrekker hverandre. For å forklare hvorfor magneter frastøter hverandre, vil en nordende av en magnet tiltrekkes sør for en annen magnet. Nord- og nordenden av to magneter, samt sør- og sørenden av to magneter vil avvise hverandre. Den magnetiske kraften er grunnlaget for elektriske motorer og attraktive magneter for bruk i medisin, industri og forskning.
For å forstå hvordan denne frastøtende kraften fungerer og forklare hvorfor magneter frastøter hverandre og tiltrekker seg elektrisitet, det er viktig å studere arten av magnetisk kraft og de mange former den tar i forskjellige fenomener i fysikk.
Magnetisk kraft på partikler
For to bevegelige ladede partikler med ladningerq1ogq2og respektive hastigheterv1ogv2atskilt med en radiusvektorr, er den magnetiske kraften mellom dem gitt avBiot-Savart-loven:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ times (v_2 \ times r)
der×betegnerkryssprodukt, forklart nedenfor.μ0 = 12.57×10−7 H / m, som er den magnetiske permeabilitetskonstanten for et vakuum. Husk| r |er den absolutte verdien av radiusen. Denne kraften avhenger veldig nøyaktig av retningene til vektorenev1, v2, og r.
Selv om ligningen kan virke som den elektriske kraften på ladede partikler, må du huske at magnetkraften bare brukes til å bevege partikler. Den magnetiske kraften tar heller ikke hensyn til amagnetisk monopol, en hypotetisk partikkel som bare ville ha en pol, nord eller sør, mens elektrisk ladede partikler og gjenstander kan lades i en retning, positiv eller negativ. Disse faktorene forårsaker forskjellene i kraftformene for magnetisme og for elektrisitet.
Teorier om elektrisitet og magnetisme viser også at hvis du hadde to magnetiske monopol som ikke beveget seg, de ville fremdeles oppleve en kraft på samme måte som en elektrisk kraft ville oppstå mellom to ladede partikler.
Forskere har imidlertid ikke vist noen eksperimentelle bevis for å konkludere med sikkerhet og tillit til at magnetiske monopol eksisterer. Hvis det viser seg at de eksisterer, kan forskere komme med ideer om "magnetisk ladning" på samme måte som elektrisk ladede partikler er.
Magnetisme frastøter og tiltrekker definisjon
Hvis du husker retningen til vektorenev1, v2, ogr, kan du avgjøre om kraften mellom dem er attraktiv eller frastøtende. For eksempel hvis du har en partikkel som beveger seg fremover i x-retningen med en hastighetv, så må denne verdien være positiv. Hvis den beveger seg i den andre retningen, må v-verdien være negativ.
Disse to partiklene frastøter hverandre hvis magnetkreftene som bestemmes av deres respektive magnetfelt mellom dem, avbryter hverandre ved å peke i forskjellige retninger vekk fra hverandre. Hvis de to kreftene peker i forskjellige retninger mot hverandre, er magnetkraften attraktiv. Den magnetiske kraften er forårsaket av disse bevegelsene av partikler.
Du kan bruke disse ideene til å vise hvordan magnetisme fungerer i hverdagsobjekter. Hvis du for eksempel plasserer en neodymmagnet i nærheten av en skrutrekker av stål og flytter den opp, nedover akselen og deretter fjerner magneten, kan skrutrekkeren beholde noe magnetisme i den. Dette skjer på grunn av de samvirkende magnetfeltene mellom de to objektene som skaper attraktiv kraft når de avbryter hverandre.
Dette avviser og tiltrekker definisjonen i all bruk av magneter og magnetfelt. Hold rede på hvilke retninger som tilsvarer frastøting og tiltrekning.
Magnetisk kraft mellom ledninger
•••Syed Hussain Ather
For strømmer som beveger ladninger gjennom ledninger, kan magnetkraften bestemmes som attraktiv eller frastøtende basert på ledningenes plassering i forhold til hverandre og retningen i strømmen beveger seg. For strømmer i sirkulære ledninger kan du bruke høyre hånd til å bestemme hvordan magnetfelt dukker opp.
Høyre-regelen for strømmer i ledninger betyr at hvis du plasserer fingrene på høyre hånd krøllet i retning av en trådsløyfe, kan du bestemme retningen til det resulterende magnetfeltet og magnetmomentet, som vist i diagrammet ovenfor. Dette lar deg bestemme hvordan sløyfer er attraktive eller frastøtende mellom hverandre.
Den høyre regelen lar deg også bestemme retningen til magnetfeltet som strømmen i en rett ledning sender ut. I dette tilfellet peker du høyre tommel i strømretningen gjennom den elektriske ledningen. Retningen for hvordan fingrene på høyre hånd krøller bestemmer retningen på magnetfeltet?
Fra disse eksemplene på magnetfelt indusert av strømmer, kan du bestemme magnetkraften mellom to ledninger som et resultat av disse magnetfeltlinjene.
Definisjon av elektrisitet frastøter og tiltrekker seg
•••Syed Hussain Ather
Magnetfeltene mellom løkkene til nåværende ledninger er enten attraktive eller frastøtende avhengig av retningen til elektrisk strøm og retningen til magnetfeltene som oppstår fra dem. Det magnetiske dipolmomentet er styrken og orienteringen til et magnetisk som produserer magnetfeltet. I diagrammet ovenfor viser den resulterende tiltrekningen eller frastøtingen denne avhengigheten.
Du kan forestille deg magnetfeltlinjene som disse elektriske strømmer avgir som krøller seg rundt hver del av den nåværende ledningssløyfen. Hvis disse kretsretningene mellom de to ledningene er i motsatt retning mot hverandre, vil ledningene tiltrekke hverandre. Hvis de er i motsatt retning vekk fra hverandre, vil løkkene frastøte hverandre.
Magneter frastøter og tiltrekker seg elektrisitet
DeLorentz ligningmåler magnetkraften mellom en partikkel i bevegelse i et magnetfelt. Ligningen er
F = qE + qv \ ganger B
derFer den magnetiske kraften,qer ladningen av den ladede partikkelen,Eer det elektriske feltet,ver partikkelens hastighet, ogBer magnetfeltet. I ligningen betegner x kryssproduktet mellomqvogB.
Tverrproduktet kan forklares med geometri og en annen versjon av høyre håndregel. Denne gangen bruker du høyre håndregel som regel for å bestemme retningen på vektorer i kryssproduktet. Hvis partikkelen beveger seg i en retning som ikke er parallell med magnetfeltet, blir partikkelen frastøtt av den.
Lorentz-ligningen viser den grunnleggende sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme. Dette ville føre til ideer om elektromagnetisk felt og elektromagnetisk kraft som representerte både de elektriske og magnetiske komponentene til disse fysiske egenskapene.
Cross Product
Høyre-regelen forteller deg at kryssproduktet mellom to vektorer,enogb, er vinkelrett på dem hvis du peker høyre pekefinger i retning avbog høyre langfinger i retning aven. Tommelen vil peke i retning avc, den resulterende vektoren fra kryssproduktet fraenogb. Vektorenchar en størrelse gitt av arealet av parallellogrammet som vektorerenogbspan.
•••Syed Hussain Ather
Tverrproduktet avhenger av vinkelen mellom de to vektorene, da dette bestemmer området for parallellogrammet som strekker seg mellom de to vektorene. Et kryssprodukt for to vektorer kan bestemmes som
a \ ganger b = | a || b | \ sin {\ theta}
for en viss vinkelθmellom vektorerenogb,med tanke på at den peker i retningen gitt av høyre-regelen mellomenogb.
Magnetkraft av et kompass
To nordpoler avviser hverandre, og to sørpoler vil også frastøte hverandre akkurat som hvordan elektriske ladninger frastøter hverandre og motsatte ladninger tiltrekker hverandre. Den magnetiske kompassnålen til et kompass beveger seg med et dreiemoment, rotasjonskraften til et legeme i bevegelse. Du kan beregne dette dreiemomentet ved hjelp av et kryssprodukt av rotasjonskraften, dreiemoment, som resultat av magnetmomentet med magnetfeltet.
I dette tilfellet kan du bruke "tau"
\ tau = m \ ganger B = | m || B | \ sin {\ theta}
hvormer det magnetiske dipolmomentet,Ber magnetfeltet, ogθer vinkelen mellom de to vektorene. Hvis du bestemmer hvor mye av magnetkraften som skyldes rotasjon for et objekt i et magnetfelt, er denne verdien dreiemomentet. Du kan bestemme enten magnetmomentet eller kraften til magnetfeltet.
Fordi en kompassnål justerer seg med jordens magnetfelt, vil den peke nordover fordi å justere seg selv på denne måten er dens laveste energitilstand. Det er her magnetmomentet og magnetfeltet stemmer overens med hverandre og vinkelen mellom dem er 0 °. Det er kompasset i ro etter at alle andre krefter som beveger kompasset rundt er blitt redegjort for. Du kan bestemme styrken til denne rotasjonsbevegelsen ved hjelp av dreiemoment.
Oppdage en magnets frastøtende kraft
Et magnetfelt får materie til å vise magnetiske egenskaper, spesielt blant elementer som kobolt og jern som har uparede elektroner som lar ladninger bevege seg og magnetfelt dukker opp. Magneter som enten er klassifisert som paramagnetiske eller diamagnetiske, lar deg bestemme om en magnetisk kraft er attraktiv eller frastøtende av magnetens poler.
Diamagneter har ingen eller få ukoblede elektroner og kan ikke la ladninger flyte fritt så lett som andre materialer gjør. De avvises av magnetfelt. Paramagneter har uparrede elektroner som lar ladningen strømme og tiltrekkes derfor av magnetfelt. For å bestemme om et materiale er diamagnetisk eller paramagnetisk, bestemme hvordan elektroner okkuperer orbitaler basert på deres energi i forhold til resten av atomet.
Forsikre deg om at elektroner må oppta hver bane med bare ett elektron før orbitalene har to elektroner. Hvis du ender opp med ukoblede elektroner, slik tilfellet er med oksygen O2, materialet er paramagnetisk. Ellers er den diamagnetisk, som N2. Du kan forestille deg denne attraktive eller frastøtende kraften som samspillet mellom den ene magnetiske dipolen og den andre.
Den potensielle energien til en dipol i et eksternt magnetfelt er gitt av punktproduktet mellom magnetmomentet og magnetfeltet. Denne potensielle energien er
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
for vinkelenθmellom m og B. Prikkproduktet måler den skalære sum som er resultatet av å multiplisere x-komponentene til en vektor med x-komponentene til en annen mens du gjør det samme for y-komponenter.
For eksempel hvis du hadde vektora = 2i + 3jogb = 4i + 5j, det resulterende prikkproduktet til de to vektorene ville være24 + 35 = 23. Minustegnet i ligningen for potensiell energi indikerer at potensialet er definert som negativt for høyere potensielle energier av magnetisk kraft.