Czasami możesz zobaczyć, jak magnesy się odpychają, a innym razem przyciągają się nawzajem. Zmiana kształtu i orientacji dwóch różnych magnesów może zmienić sposób, w jaki się przyciągają lub odpychają.
Bardziej szczegółowe badanie materiałów magnetycznych może dać lepsze wyobrażenie o działaniu siły odpychającej magnesu. Dzięki tym przykładom możesz zobaczyć, jak zniuansowane i kreatywne mogą być teorie i nauka o magnetyzmie.
Odpychająca siła magnesu
Przeciwieństwa się przyciągają. Aby wyjaśnić, dlaczego magnesy się odpychają, północny koniec magnesu będzie przyciągany na południe od innego magnesu. Północne i północne końce dwóch magnesów oraz południowe i południowe końce dwóch magnesów będą się odpychać. Siła magnetyczna jest podstawą silników elektrycznych i atrakcyjnych magnesów stosowanych w medycynie, przemyśle i badaniach.
Aby zrozumieć, jak działa ta siła odpychająca i wyjaśnić, dlaczego magnesy odpychają się i przyciągają elektryczność, ważne jest, aby zbadać naturę siły magnetycznej i wiele form, jakie przybiera w różnych zjawiskach w fizyka.
Siła magnetyczna na cząstki
Dla dwóch poruszających się naładowanych cząstek z ładunkamiq1iq2i odpowiednie prędkościv1iv2oddzielone wektorem promieniar, siła magnetyczna między nimi jest dana przezPrawo Biota-Savarta:
F=\frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2}v_1\times (v_2\times r)
w którym×oznaczaprodukt krzyżowy, wyjaśnione poniżej.μ0 = 12.57×10−7 H/m, która jest stałą przepuszczalności magnetycznej dla próżni. Pamiętać|r|jest wartością bezwzględną promienia. Siła ta zależy bardzo ściśle od kierunku wektorówv1, v2, i r.
Chociaż równanie może wydawać się podobne do siły elektrycznej działającej na naładowane cząstki, należy pamiętać, że siła magnetyczna jest używana tylko do poruszających się cząstek. Siła magnetyczna również nie uwzględnia amonopol magnetyczny, hipotetyczna cząstka, która miałaby tylko jeden biegun, północny lub południowy, podczas gdy naładowane elektrycznie cząstki i obiekty mogą być ładowane w jednym kierunku, dodatnim lub ujemnym. Czynniki te powodują różnice w formach siły dla magnetyzmu i dla elektryczności.
Teorie elektryczności i magnetyzmu pokazują również, że jeśli masz dwa nieruchome monopole magnetyczne, nadal będą doświadczać siły w taki sam sposób, w jaki siła elektryczna wystąpiłaby między dwoma naładowanymi cząstki.
Jednak naukowcy nie wykazali żadnych eksperymentalnych dowodów, aby stwierdzić z pewnością i pewnością, że istnieją monopole magnetyczne. Jeśli okaże się, że istnieją, naukowcy mogliby wymyślić idee „ładunku magnetycznego” w taki sam sposób, jak cząstki naładowane elektrycznie.
Magnetyzm odpycha i przyciąga definicję
Jeśli pamiętasz o kierunku wektorówv1, v2, ir, możesz określić, czy siła między nimi jest przyciągająca, czy odpychająca. Na przykład, jeśli masz cząstkę poruszającą się do przodu w kierunku x z prędkościąv, wtedy ta wartość musi być dodatnia. Jeśli porusza się w innym kierunku, wartość v musi być ujemna.
Te dwie cząstki odpychają się, jeśli siły magnetyczne określone przez ich odpowiednie pola magnetyczne między nimi znoszą się, kierując się w różnych kierunkach od siebie. Jeśli te dwie siły są skierowane w różnych kierunkach ku sobie, siła magnetyczna jest przyciągana. Siła magnetyczna jest powodowana przez te ruchy cząstek.
Możesz wykorzystać te pomysły, aby pokazać, jak działa magnetyzm w przedmiotach codziennego użytku. Na przykład, jeśli umieścisz magnes neodymowy w pobliżu stalowego śrubokręta i przesuniesz go w górę, w dół wału, a następnie wyjmiesz magnes, śrubokręt może zachować w sobie pewien magnetyzm. Dzieje się tak z powodu oddziałujących pól magnetycznych między dwoma obiektami, które wytwarzają siłę przyciągania, gdy się nawzajem znoszą.
Ta definicja odpychania i przyciągania obowiązuje we wszystkich zastosowaniach magnesów i pól magnetycznych. Śledź, które kierunki odpowiadają odpychaniu i przyciąganiu.
Siła magnetyczna między przewodami
•••Syed Hussain Ather
Dla prądów, które przenoszą ładunki przez przewody, siłę magnetyczną można określić jako przyciągającą lub odpychający na podstawie położenia przewodów względem siebie i kierunku prądu the ruchy. W przypadku prądów w przewodach okrągłych można użyć prawej ręki, aby określić, jak powstają pola magnetyczne.
Zasada prawej ręki dla prądów w pętlach przewodów oznacza, że jeśli ułożysz palce prawej dłoni zgięte w kierunku pętli drucianej można określić kierunek wynikowego pola magnetycznego i moment magnetyczny, jak pokazano na schemacie powyżej. Pozwala to określić, w jaki sposób pętle są atrakcyjne lub odpychające między sobą.
Reguła prawej ręki pozwala również określić kierunek pola magnetycznego emitowanego przez prąd w przewodzie prostym. W takim przypadku wskazujesz prawy kciuk w kierunku prądu płynącego przez przewód elektryczny. Kierunek zwijania palców prawej dłoni określa kierunek pola magnetycznego?
Z tych przykładów pola magnetycznego indukowanego przez prądy można określić siłę magnetyczną między dwoma przewodami w wyniku tych linii pola magnetycznego.
Definicja odpychania i przyciągania energii elektrycznej
•••Syed Hussain Ather
Pola magnetyczne pomiędzy pętlami przewodów prądowych są albo przyciągające, albo odpychające, w zależności od kierunku prądu elektrycznego i kierunku pól magnetycznych z nich wynikających. Magnetyczny moment dipolowy to siła i orientacja magnesu, który wytwarza pole magnetyczne. Na powyższym diagramie wynikająca z tego przyciąganie lub odpychanie pokazuje tę zależność.
Możesz sobie wyobrazić linie pola magnetycznego, które te prądy elektryczne wydzielają, zwijając się wokół każdej części pętli prądowej. Jeśli te zapętlone kierunki między dwoma przewodami są przeciwne do siebie, przewody będą się przyciągać. Jeśli są w przeciwnych kierunkach od siebie, pętle będą się odpychać.
Magnesy odpychają i przyciągają elektryczność
Równanie Lorentzamierzy siłę magnetyczną między cząsteczką w ruchu w polu magnetycznym. Równanie to
F=qE+qv\razy B
w którymfajest siła magnetyczna,qjest ładunkiem naładowanej cząstki,mijest pole elektryczne,vjest prędkością cząstki, abjest pole magnetyczne. W równaniu x oznacza iloczyn krzyżowy międzyqvib.
Produkt krzyżowy można wyjaśnić za pomocą geometrii i innej wersji reguły prawej ręki. Tym razem używasz reguły prawej ręki do określenia kierunku wektorów w iloczynie poprzecznym. Jeśli cząsteczka porusza się w kierunku, który nie jest równoległy do pola magnetycznego, zostanie przez nią odepchnięta.
Równanie Lorentza pokazuje fundamentalny związek między elektrycznością a magnetyzmem. Doprowadziłoby to do powstania idei pola elektromagnetycznego i siły elektromagnetycznej, które reprezentowałyby zarówno elektryczne, jak i magnetyczne składniki tych właściwości fizycznych.
Produkt krzyżowy
Reguła prawej ręki mówi, że iloczyn krzyżowy dwóch wektorów,zaib, jest prostopadła do nich, jeśli skierujesz prawy palec wskazujący w kierunkuba prawy środkowy palec w kierunkuza. Twój kciuk wskaże w kierunkudo, wektor wynikowy z iloczynu krzyżowegozaib. Wektordoma wielkość określoną przez pole równoległoboku, w którym wektoryzaibZakres.
•••Syed Hussain Ather
Iloczyn poprzeczny zależy od kąta między dwoma wektorami, ponieważ określa to obszar równoległoboku, który rozciąga się między tymi dwoma wektorami. Iloczyn krzyżowy dla dwóch wektorów można wyznaczyć jako
a\times b = |a||b|\sin{\theta}
pod pewnym kątemθmiędzy wektoramizaib,pamiętając, że wskazuje on kierunek nadany przez regułę prawej ręki międzyhandzaib.
Magnetyczna siła kompasu
Dwa bieguny północne odpychają się nawzajem, a dwa bieguny południowe również odpychają się nawzajem, podobnie jak ładunki elektryczne odpychają się, a przeciwne przyciągają się. Igła kompasu magnetycznego kompasu porusza się z momentem obrotowym, siłą obrotową ciała w ruchu. Moment ten można obliczyć za pomocą iloczynu poprzecznego siły obrotowej, momentu obrotowego, jako wyniku momentu magnetycznego z polem magnetycznym.
W takim przypadku możesz użyć „tau”
\tau = m\razy B = |m|| B|\grzech{\theta}
gdziemto magnetyczny moment dipolowy,bjest polem magnetycznym, iθjest kątem między tymi dwoma wektorami. Jeśli określisz, jaka część siły magnetycznej jest spowodowana obrotem obiektu w polu magnetycznym, ta wartość jest momentem obrotowym. Możesz określić moment magnetyczny lub siłę pola magnetycznego.
Ponieważ igła kompasu dopasowuje się do pola magnetycznego Ziemi, będzie wskazywać północ, ponieważ ustawienie się w ten sposób jest jej najniższym stanem energetycznym. W tym miejscu moment magnetyczny i pole magnetyczne pokrywają się ze sobą, a kąt między nimi wynosi 0°. To kompas w spoczynku po tym, jak wszystkie inne siły poruszające kompasem zostały uwzględnione. Siłę tego ruchu obrotowego można określić za pomocą momentu obrotowego.
Wykrywanie siły odpychania magnesu
Pole magnetyczne powoduje, że materia wykazuje właściwości magnetyczne, zwłaszcza wśród pierwiastków takich jak kobalt i żelazo, które mają niesparowane elektrony, które umożliwiają poruszanie się ładunków i powstawanie pól magnetycznych. Magnesy sklasyfikowane jako paramagnetyczne lub diamagnetyczne pozwalają określić, czy siła magnetyczna przyciąga lub odpycha bieguny magnesu.
Diamagnesy nie mają wcale lub niewiele niesparowanych elektronów i nie pozwalają na swobodny przepływ ładunków tak łatwo, jak robią to inne materiały. Są odpychane przez pola magnetyczne. Paramagnesy mają niesparowane elektrony, które umożliwiają przepływ ładunku i dlatego są przyciągane przez pola magnetyczne. Aby określić, czy materiał jest diamagnetyczny, czy paramagnetyczny, określ, w jaki sposób elektrony zajmują orbity, na podstawie ich energii w stosunku do reszty atomu.
Upewnij się, że elektrony muszą zajmować każdy orbital tylko jednym elektronem, zanim orbitale będą miały dwa elektrony. Jeśli skończysz z niesparowanymi elektronami, tak jak w przypadku tlenu O2, materiał jest paramagnetyczny. W przeciwnym razie jest diamagnetyczny, jak N2. Możesz sobie wyobrazić tę przyciągającą lub odpychającą siłę jako oddziaływanie jednego dipola magnetycznego z drugim.
Energia potencjalna dipola w zewnętrznym polu magnetycznym jest dana przez iloczyn skalarny pomiędzy momentem magnetycznym a polem magnetycznym. Ta potencjalna energia jest
U=-m\cdot B=-|m|| B|\cos{\theta}
dla kątaθmiędzy m a B. Iloczyn skalarny mierzy sumę skalarną wynikającą z pomnożenia składowych x jednego wektora przez składowe x innego wektora, robiąc to samo dla składowych y.
Na przykład, jeśli masz wektora = 2i + 3jib = 4i + 5j, wynikowy iloczyn skalarny dwóch wektorów byłby24 + 35 = 23. Znak minus w równaniu energii potencjalnej wskazuje, że potencjał jest zdefiniowany jako ujemny dla wyższych energii potencjalnych siły magnetycznej.
