Pole magnetyczne: definicja, przyczyny, wzór, jednostki i pomiary (z przykładami)

Wszędzie wokół nas są pola. Niezależnie od tego, czy jest to pole grawitacyjne spowodowane masą Ziemi, czy pola elektryczne wytworzone przez naładowane cząstki, takie jak elektrony, wszędzie są niewidzialne pola, reprezentujące potencjały i niewidzialne siły zdolne do poruszania obiektów z odpowiednią cechy.

Na przykład pole elektryczne w obszarze oznacza, że ​​naładowany obiekt może zostać odchylony od swojej pierwotnej ścieżki, gdy wejdzie w obszar, oraz pole grawitacyjne ze względu na masę Ziemi utrzymuje Cię mocno na powierzchni Ziemi, chyba że wykonasz jakąś pracę, aby przezwyciężyć jego wpływ.

Pola magnetyczne są przyczyną sił magnetycznych, a obiekty, które wywierają siły magnetyczne na inne obiekty, robią to poprzez wytworzenie pola magnetycznego. Pola magnetyczne można wykryć poprzez wygięcie igieł kompasu, które pokrywają się z liniami pola (magnetyczna północ igły skierowana w stronę magnetycznego południa). Jeśli studiujesz elektryczność i magnetyzm, dowiedz się więcej o polach magnetycznych i sile magnetycznej jest kluczowym krokiem w Twojej podróży.

Ogólnie rzecz biorąc, w fizyce pola są wektorami o wartościach w każdym obszarze przestrzeni, które mówią nam, jak silny lub słaby jest efekt w danym punkcie oraz kierunek tego efektu. Na przykład obiekt o masie, taki jak słońce, tworzy pole grawitacyjne, w wyniku czego na inne obiekty o masie wchodzące w to pole działa siła. W ten sposób przyciąganie grawitacyjne Słońca utrzymuje Ziemię na orbicie wokół niej.

Dalej w Układzie Słonecznym, na przykład w zasięgu orbity Urana, działa ta sama siła, ale siła jest znacznie mniejsza. Jest zawsze skierowany prosto na słońce; jeśli wyobrazisz sobie zbiór strzał otaczających słońce, wszystkie skierowane w jego kierunku, ale o większej długości z bliskiej odległości (większa siła) i mniejsze długości na dużych odległościach (słabsza siła), w zasadzie wyobrażałeś sobie pole grawitacyjne w system.

W ten sam sposób obiekty z ładunkiem wytwarzają pola elektryczne, a poruszające się ładunki generująpola magnetyczne, co może wywołać siłę magnetyczną w pobliskim naładowanym obiekcie lub innych materiałach magnetycznych.

Pola te są nieco bardziej skomplikowane pod względem kształtu niż pola grawitacyjne, ponieważ mają zapętlone pola magnetyczne linie pola, które wychodzą z dodatniego (lub północnego bieguna) i kończą się na ujemnym (lub południowym biegunie), ale wypełniają ten sam podstawowy rola. Są jak linie siły, które mówią, jak zachowa się obiekt umieszczony w danej lokalizacji. Możesz to wyraźnie zobrazować za pomocą opiłków żelaza, które zrównają się z zewnętrznym polem magnetycznym.

Pola magnetyczne sązawsze​ ​pola dipolowe, więc nie ma monopoli magnetycznych. Ogólnie pola magnetyczne są reprezentowane przez literęb, ale jeśli pole magnetyczne przechodzi przez materiał magnetyczny, może on ulec polaryzacji i wygenerować własne pole magnetyczne. To drugie pole należy do pierwszego pola, a połączenie tych dwóch jest określane literąH, gdzie

z μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m (czyli przenikalność magnetyczna wolnej przestrzeni) i K_m będącą względną przepuszczalnością danego materiału.

Ilość pola magnetycznego przechodzącego przez dany obszar nazywana jest strumieniem magnetycznym. Indukcja magnetyczna jest powiązana z lokalną siłą pola. Ponieważ pola magnetyczne są zawsze dipolarne, strumień magnetyczny netto przez zamkniętą powierzchnię wynosi 0. (Wszelkie linie pola wychodzące z powierzchni, koniecznie wprowadź je ponownie, anulując.)

Jednostką natężenia pola magnetycznego w układzie SI jest tesla (T), gdzie:

1 tesla = 1 T = 1 kg/A s² = 1 Vs/m² = 1 nie dotyczy m

Inną powszechnie stosowaną jednostką natężenia pola magnetycznego jest gaus (G), gdzie:

1 gaus = 1 G = 10⁻⁴ T

Tesla to dość duża jednostka, więc w wielu praktycznych sytuacjach gauss jest bardziej przydatnym wyborem – na przykład magnes na lodówkę będzie miał siłę około 100 G, podczas gdy ziemskie pole magnetyczne na powierzchni Ziemi wynosi około 0,5G.

Elektryczność i magnetyzm są ze sobą ściśle powiązane, ponieważ pola magnetyczne są generowane przez poruszający się ładunek (jak prądy elektryczne) lub zmieniające się pola elektryczne, podczas gdy zmieniające się pole magnetyczne generuje elektryczność pole.

W magnesie sztabkowym lub podobnym obiekcie magnetycznym pole magnetyczne powstaje z kilku „domen” magnetycznych stają się wyrównane, które z kolei są tworzone przez ruch naładowanych elektronów wokół jąder ich atomy. Te ruchy wytwarzają małe pola magnetyczne w domenie. W większości materiałów domeny będą miały losowe wyrównanie i znoszą się nawzajem, ale w niektórych materiałów, pola magnetyczne w sąsiednich domenach wyrównują się, co daje większą skalę magnetyzm.

Pole magnetyczne Ziemi jest również generowane przez poruszający się ładunek, ale w tym przypadku to ruch stopionej warstwy otaczającej jądro Ziemi wytwarza pole magnetyczne. Wyjaśnia toteoria dynama, który opisuje, w jaki sposób wirujący, naładowany elektrycznie płyn wytwarza pole magnetyczne. Zewnętrzne jądro Ziemi zawiera stale poruszające się ciekłe żelazo, w którym elektrony przemieszczają się w cieczy i generują pole magnetyczne.

Słońce również ma pole magnetyczne, a wyjaśnienie jego działania jest bardzo podobne. Jednak różne prędkości obrotowe różnych części Słońca (tj. materiału podobnego do płynu na różnych szerokościach geograficznych) prowadzą do linii pola splątanie z czasem, a także wiele zjawisk związanych ze słońcem, takich jak rozbłyski słoneczne i plamy słoneczne, a także mniej więcej 11-letnia energia słoneczna cykl. Słońce ma dwa bieguny, podobnie jak magnes sztabkowy, ale ruchy plazmy słonecznej i stopniowo rosnąca aktywność słoneczna powodują, że bieguny magnetyczne zmieniają się co 11 lat.

Pola magnetyczne ze względu na różne układy poruszającego się ładunku należy wyprowadzić indywidualnie, ale istnieje wiele standardowych formuł, których możesz użyć, aby nie trzeba było „wymyślać koła na nowo” za każdym razem czas. Możesz wyprowadzić wzory na praktycznie każdy układ poruszającego się ładunku, korzystając z prawa Biota-Savarta lub prawa Ampera-Maxwella. Jednak otrzymane wzory na proste układy prądu elektrycznego są tak powszechnie używane i cytowane, że można that po prostu traktuj je jako „formuły standardowe”, zamiast za każdym razem wywodzić je z prawa Biota-Savarta lub Ampere-Maxwella.

Pole magnetyczne prądu prostoliniowego wyznaczane jest z prawa Ampere'a (prostsza postać prawa Ampere-Maxwella) jako:

Gdzieμ​₀ jest jak zdefiniowano wcześniej,jajest prąd w amperach irto odległość od przewodu, w którym mierzysz pole magnetyczne.

Pole magnetyczne w środku pętli prądowej jest określone wzorem:

GdzieRjest promieniem pętli, a pozostałe symbole są takie, jak zdefiniowano wcześniej.

Na koniec pole magnetyczne elektrozaworu wyraża się wzorem:

GdzieNto liczba zwojów iLto długość elektrozaworu. Pole magnetyczne cewki jest w dużej mierze skoncentrowane w środku cewki.

Nauka korzystania z tych równań (i im podobnych) jest najważniejszą rzeczą, którą musisz zrobić podczas obliczania pola magnetycznego lub wynikającą z tego siłę magnetyczną, więc przykład każdego z nich pomoże ci rozwiązać problemy, które prawdopodobnie napotkasz spotkanie.

W przypadku długiego prostego przewodu przewodzącego prąd o natężeniu 5 amperów (tj. I = 5 A), jakie jest natężenie pola magnetycznego w odległości 0,5 m od przewodu?

Korzystając z pierwszego równania z I = 5 A i r = 0,5 m otrzymujemy:

Teraz dla pętli prądowej o prądzie I = 10 A i promieniu r = 0,2 m, jakie jest pole magnetyczne w środku pętli? Drugie równanie daje:

Wreszcie dla elektrozaworu o N = 15 zwojach o długości L = 0,1 m, przewodzącego prąd 4 A, jakie jest natężenie pola magnetycznego w środku?

Trzecie równanie daje:

Inne przykładowe obliczenia pola magnetycznego mogą działać nieco inaczej – na przykład, podając pole w środku a solenoid i prąd, ale prosząc o stosunek N/L – ale tak długo, jak znasz równania, nie będziesz miał problemów odpowiadając na nie.