Puteți vedea uneori magneți respingându-se unul pe altul, iar alteori îi puteți vedea atrăgându-se reciproc. Schimbarea formei și orientării între doi magneți diferiți poate schimba modul în care acestea fie se atrag, fie se resping reciproc.
Studierea mai detaliată a materialelor magnetice vă poate oferi o idee mai bună despre modul în care funcționează forța respingătoare a magnetului. Prin aceste exemple, puteți vedea cât de nuanțate și creative pot fi teoriile și știința magnetismului.
Forța respingătoare a unui magnet
Extremele se atrag. Pentru a explica de ce magneții se resping reciproc, un capăt nord al unui magnet va fi atras spre sudul unui alt magnet. Capetele nord și nord ale a doi magneți, precum și capetele sud și sud ale a doi magneți se vor respinge reciproc. Forța magnetică este baza pentru motoarele electrice și magneții atrăgători pentru utilizare în medicină, industrie și cercetare.
Pentru a înțelege cum funcționează această forță respingătoare și a explica de ce magneții se resping reciproc și atrag electricitatea, este important să studiezi natura forței magnetice și numeroasele forme pe care le ia în diverse fenomene fizică.
Forța magnetică asupra particulelor
Pentru două particule încărcate în mișcare cu sarciniq1șiq2și viteze respectivev1șiv2separate printr-un vector de razăr, forța magnetică dintre ele este dată deLegea Biot-Savart:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ times (v_2 \ times r)
in care×denotăprodus încrucișat, explicat mai jos.μ0 = 12.57×10−7 H / m, care este constanta permeabilității magnetice pentru vid. Ține minte| r |este valoarea absolută a razei. Această forță depinde foarte strâns de direcția vectorilorv1, v2, și r.
În timp ce ecuația poate părea similară cu forța electrică asupra particulelor încărcate, rețineți că forța magnetică este utilizată numai pentru particulele în mișcare. De asemenea, forța magnetică nu ține cont de omonopol magnetic, o particulă ipotetică care ar avea un singur pol, nord sau sud, în timp ce particulele și obiectele încărcate electric pot fi încărcate într-o singură direcție, pozitivă sau negativă. Acești factori determină diferențele în formele de forță pentru magnetism și pentru electricitate.
Teoriile despre electricitate și magnetism arată, de asemenea, dacă ai avea doi monopoli magnetici care nu se mișcau, ar experimenta în continuare o forță în același mod în care ar apărea o forță electrică între două încărcate particule.
Cu toate acestea, oamenii de știință nu au demonstrat nicio dovadă experimentală care să concluzioneze cu certitudine și încredere că există monopoluri magnetice. Dacă se dovedește că există, oamenii de știință ar putea veni cu idei de „încărcare magnetică” la fel ca particulele încărcate electric.
Magnetismul respinge și atrage definiția
Dacă ții cont de direcția vectorilorv1, v2, șir, puteți stabili dacă forța dintre ele este atractivă sau respingătoare. De exemplu, dacă aveți o particulă care se mișcă înainte în direcția x cu o vitezăv, atunci această valoare trebuie să fie pozitivă. Dacă se deplasează în cealaltă direcție, atunci valoarea v trebuie să fie negativă.
Aceste două particule se resping reciproc dacă forțele magnetice determinate de câmpurile lor magnetice dintre ele se anulează reciproc, îndreptându-se în direcții diferite unul de altul. Dacă cele două forțe sunt îndreptate în direcții diferite una către cealaltă, forța magnetică este atractivă. Forța magnetică este cauzată de aceste mișcări ale particulelor.
Puteți folosi aceste idei pentru a arăta cum funcționează magnetismul în obiectele cotidiene. De exemplu, dacă așezați un magnet de neodim lângă o șurubelniță de oțel și îl mutați în sus, în josul arborelui și apoi scoateți magnetul, șurubelnița poate păstra ceva magnetism în interiorul acestuia. Acest lucru se întâmplă datorită câmpurilor magnetice care interacționează între cele două obiecte care creează forța de atracție atunci când se anulează reciproc.
Această respingere și atragerea definiției sunt valabile în toate utilizările magneților și câmpurilor magnetice. Țineți evidența direcțiilor care corespund repulsiei și atracției.
Forța magnetică între fire
•••Syed Hussain Ather
Pentru curenții care mișcă sarcini prin fire, forța magnetică poate fi determinată ca fiind atractivă sau respingător bazat pe locațiile firelor unul față de celălalt și pe direcția curentului mișcări. Pentru curenții din fire circulare, puteți utiliza mâna dreaptă pentru a determina modul în care apar câmpurile magnetice.
Regula mâinii drepte pentru curenții din buclele firelor înseamnă că, dacă așezați degetele mâinii drepte îndoite în direcția a unei bucle de sârmă, puteți determina direcția câmpului magnetic rezultat și momentul magnetic, așa cum se arată în diagramă de mai sus. Acest lucru vă permite să determinați modul în care buclele sunt atractive sau respingătoare între ele.
Regula din partea dreaptă vă permite, de asemenea, să determinați direcția câmpului magnetic pe care îl emite curentul dintr-un fir drept. În acest caz, îndreptați degetul mare drept în direcția curentului prin firul electric. Direcția în care se îndoaie degetele mâinii drepte determină direcția câmpului magnetic?
Din aceste exemple de câmp magnetic indus de curenți, puteți determina forța magnetică dintre două fire ca urmare a acestor linii de câmp magnetic.
Repararea electricității și atragerea definiției
•••Syed Hussain Ather
Câmpurile magnetice dintre buclele firelor de curent sunt fie atractive, fie respingătoare, în funcție de direcția curentului electric și de direcția câmpurilor magnetice care rezultă din acestea. Momentul dipolar magnetic este puterea și orientarea unui magnet care produce câmpul magnetic. În diagrama de mai sus, atracția sau respingerea rezultată arată această dependență.
Vă puteți imagina liniile câmpului magnetic pe care le degajă acești curenți electrici ca ondulându-se în jurul fiecărei părți a buclei curente a firului. Dacă acele direcții de buclă între cele două fire sunt în direcții opuse unul față de celălalt, firele se vor atrage reciproc. Dacă sunt în direcții opuse distanță una de cealaltă, buclele se vor respinge reciproc.
Magneții resping și atrag electricitatea
Ecuația Lorentzmăsoară forța magnetică dintre o particulă în mișcare într-un câmp magnetic. Ecuația este
F = qE + qv \ ori B
in careFeste forța magnetică,qeste sarcina particulei încărcate,Eeste câmpul electric,veste viteza particulei șiBeste câmpul magnetic. În ecuație, x reprezintă produsul încrucișat întreqvșiB.
Produsul încrucișat poate fi explicat prin geometrie și o altă versiune a regulii din partea dreaptă. De data aceasta, utilizați regula mâinii drepte ca regulă pentru determinarea direcției vectorilor în produsul încrucișat. Dacă particula se mișcă într-o direcție care nu este paralelă cu câmpul magnetic, particula va fi respinsă de aceasta.
Ecuația Lorentz arată conexiunea fundamentală dintre electricitate și magnetism. Acest lucru ar duce la idei de câmp electromagnetic și forță electromagnetică care au reprezentat atât componentele electrice, cât și cele magnetice ale acestor proprietăți fizice.
Produs încrucișat
Regula din partea dreaptă vă spune că produsul încrucișat între doi vectori,Așib, este perpendiculară pe ele dacă îndreptați degetul arătător drept în direcțiabși degetul mijlociu drept în direcțiaA. Degetul mare va arăta în direcțiac, vectorul rezultat din produsul încrucișat alAșib. Vectorulcare o magnitudine dată de aria paralelogramului care vectoriiAșibspan.
•••Syed Hussain Ather
Produsul încrucișat depinde de unghiul dintre cei doi vectori, deoarece aceasta determină aria paralelogramului care se întinde între cei doi vectori. Un produs încrucișat pentru doi vectori poate fi determinat ca
a \ times b = | a || b | \ sin {\ theta}
pentru un unghiθîntre vectoriAșib,ținând cont de acesta indică direcția dată de regula de la dreapta dintreAșib.
Forța magnetică a unei busole
Doi poli nordici se resping unul pe celălalt și doi poli sudici se vor respinge unul pe altul, la fel ca încărcăturile electrice care se resping reciproc și sarcinile opuse se atrag reciproc. Acul busolei magnetice al unei busole se mișcă cu un cuplu, forța de rotație a unui corp în mișcare. Puteți calcula acest cuplu folosind un produs transversal al forței de rotație, cuplul, ca rezultat al momentului magnetic cu câmpul magnetic.
În acest caz, puteți utiliza „tau”
\ tau = m \ times B = | m || B | \ sin {\ theta}
Undemeste momentul dipol magnetic,Beste câmpul magnetic șiθeste unghiul dintre acești doi vectori. Dacă determinați cât de mult din forța magnetică se datorează rotației unui obiect într-un câmp magnetic, acea valoare este cuplul. Puteți determina fie momentul magnetic, fie forța câmpului magnetic.
Deoarece un ac de busolă se aliniază cu câmpul magnetic al Pământului, acesta va indica nordul, deoarece alinierea în acest fel este starea sa cea mai scăzută de energie. Aici momentul magnetic și câmpul magnetic se aliniază unul cu altul, iar unghiul dintre ele este 0 °. Este busola în repaus după ce au fost luate în considerare toate celelalte forțe care mișcă busola. Puteți determina puterea acestei mișcări de rotație folosind cuplul.
Detectarea forței de respingere a unui magnet
Un câmp magnetic face ca materia să prezinte proprietăți magnetice, în special printre elemente precum cobaltul și fierul, care au electroni nepereche care lasă sarcinile să se miște și câmpurile magnetice să apară. Magneții care sunt clasificați fie ca paramagnetici, fie ca diamagnetici vă permit să determinați dacă o forță magnetică este atractivă sau respingătoare de către polii magnetului.
Diametrii nu au sau puțini electroni nepereche și nu pot lăsa sarcinile să curgă liber atât de ușor ca și alte materiale. Sunt respinse de câmpuri magnetice. Paramagnetele au electroni nepereche pentru a lăsa să curgă sarcina și sunt, prin urmare, atrași de câmpurile magnetice. Pentru a determina dacă un material este diamagnetic sau paramagnetic, determinați modul în care electronii ocupă orbitalii pe baza energiei lor față de restul atomului.
Asigurați-vă că electronii trebuie să ocupe fiecare orbital cu un singur electron înainte ca orbitalii să aibă doi electroni. Dacă ajungeți la electroni nepereche, așa cum este cazul oxigenului O2, materialul este paramagnetic. În caz contrar, este diamagnetic, ca și N2. Vă puteți imagina această forță atractivă sau respingătoare ca fiind interacțiunea unui dipol magnetic cu celălalt.
Energia potențială a unui dipol într-un câmp magnetic extern este dată de produsul punct între momentul magnetic și câmpul magnetic. Această energie potențială este
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
pentru unghiulθîntre m și B. Produsul dot măsoară suma scalară rezultată din înmulțirea componentelor x ale unui vector cu componentele x ale altui în timp ce face același lucru pentru componentele y.
De exemplu, dacă ai avea vectora = 2i + 3jșib = 4i + 5j, produsul punctului rezultat al celor doi vectori ar fi24 + 35 = 23. Semnul minus din ecuația pentru energia potențială indică faptul că potențialul este definit ca negativ pentru energiile potențiale mai mari de forță magnetică.