Câmpurile sunt în jurul nostru. Fie că este vorba de câmpul gravitațional cauzat de masa Pământului sau de câmpurile electrice create de particule încărcate, cum ar fi electronii, există câmpuri invizibile peste tot, reprezentând potențiale și forțe nevăzute capabile să miște obiecte cu cele potrivite caracteristici.
De exemplu, un câmp electric într-o zonă înseamnă că un obiect încărcat poate fi deviat de pe calea sa originală atunci când intră în regiune și câmpul gravitațional datorat masei Pământului vă menține ferm pe suprafața Pământului, cu excepția cazului în care faceți o muncă pentru a-l depăși influență.
Câmpurile magnetice sunt cauza forțelor magnetice, iar obiectele care exercită forțe magnetice asupra altor obiecte o fac prin crearea unui câmp magnetic. Câmpurile magnetice pot fi detectate prin devierea acelor busolei care se aliniază cu liniile câmpului (nordul magnetic al acului îndreptat spre sudul magnetic). Dacă studiați electricitatea și magnetismul, să aflați mai multe despre câmpurile magnetice și forța magnetică este un pas crucial în călătoria dvs.
Ce este un câmp magnetic?
În fizică, în general, câmpurile sunt vectori cu valori la fiecare regiune a spațiului care vă spun cât de puternic sau slab este un efect în acel punct și direcția efectului. De exemplu, un obiect cu masă, precum soarele, creează un câmp gravitațional, iar alte obiecte cu masă care intră în acel câmp sunt afectate de o forță ca urmare. Acesta este modul în care atracția gravitațională a soarelui menține Pământul pe orbită în jurul său.
Mai departe în sistemul solar, cum ar fi la raza orbitei lui Uranus, se aplică aceeași forță, dar puterea este mult mai mică. Este întotdeauna îndreptat direct spre soare; dacă vă imaginați o colecție de săgeți care înconjoară soarele, toate îndreptate spre el, dar cu lungimi mai mari la distanțe apropiate (forță mai puternică) și lungimi mai mici la distanțe mari (forță mai slabă), practic ați imaginat câmpul gravitațional din solar sistem.
În același mod ca și acesta, obiectele cu sarcină creează câmpuri electrice, iar sarcinile în mișcare genereazăcampuri magnetice, care poate da naștere unei forțe magnetice într-un obiect încărcat din apropiere sau în alte materiale magnetice.
Aceste câmpuri sunt puțin mai complicate din punct de vedere al formei decât câmpurile gravitaționale, deoarece au bucle magnetice linii de câmp care ies din pozitiv (sau polul nord) și se termină la negativ (sau polul sud), dar umplu același element de bază rol. Sunt ca niște linii de forță, care vă spun cum se va comporta un obiect plasat într-o locație. Puteți vizualiza clar acest lucru folosind piloți de fier, care se vor alinia cu câmpul magnetic extern.
Câmpurile magnetice suntmereu câmpuri dipolice, deci nu există monopoluri magnetice. În general, câmpurile magnetice sunt reprezentate cu literaB, dar dacă un câmp magnetic trece printr-un material magnetic, acesta poate deveni polarizat și poate genera propriul său câmp magnetic. Acest al doilea câmp contribuie la primul câmp, iar combinația celor două este menționată de scrisoareH, Unde
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {și} \ mu_m = K_m \ mu_0
cu μ0 = 4π × 10−7 H / m (adică permeabilitatea magnetică a spațiului liber) și Km fiind permeabilitatea relativă a materialului în cauză.
Cantitatea de câmp magnetic care trece printr-o zonă dată se numește flux magnetic. Densitatea fluxului magnetic este legată de intensitatea câmpului local. Deoarece câmpurile magnetice sunt întotdeauna dipolare, fluxul magnetic net printr-o suprafață închisă este 0. (Orice linie de câmp care iese din suprafață, neapărat o introduce din nou, anulându-se.)
Unități și măsurare
Unitatea SI a intensității câmpului magnetic este tesla (T), unde:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
O altă unitate utilizată pe scară largă pentru intensitatea câmpului magnetic este gauss (G), unde:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla este o unitate destul de mare, deci în multe situații practice gauss este o alegere mai utilă - de exemplu, a magnetul frigiderului va avea o putere de aproximativ 100 G, în timp ce câmpul magnetic al Pământului de pe suprafața Pământului este aproximativ 0,5 G.
Cauzele câmpurilor magnetice
Electricitatea și magnetismul sunt fundamental legate între ele, deoarece câmpurile magnetice sunt generate de sarcina în mișcare (cum ar fi curenții electrici) sau schimbarea câmpurilor electrice, în timp ce un câmp magnetic în schimbare generează un electric camp.
Într-un magnet magnetic sau un obiect magnetic similar, câmpul magnetic rezultă din mai multe „domenii” magnetice devenind aliniate, care sunt la rândul lor create de mișcarea electronilor încărcați în jurul nucleelor lor atomi. Aceste mișcări produc câmpuri magnetice mici într-un domeniu. În majoritatea materialelor, domeniile vor avea aliniere aleatorie și se vor anula reciproc, dar în unele materiale, câmpurile magnetice din domeniile învecinate devin aliniate și acest lucru produce o scară mai mare magnetism.
Câmpul magnetic al Pământului este generat și de sarcina în mișcare, dar în acest caz, mișcarea stratului topit care înconjoară miezul Pământului creează câmpul magnetic. Acest lucru se explică printeoria dinamo, care descrie modul în care un fluid rotativ încărcat electric generează un câmp magnetic. Miezul exterior al Pământului conține fier lichid în mișcare constantă, cu electroni care călătoresc prin lichid și generează câmpul magnetic.
Soarele are, de asemenea, un câmp magnetic, iar explicația pentru modul în care funcționează este foarte similară. Cu toate acestea, viteza de rotație variabilă a diferitelor părți ale soarelui (adică materialul asemănător fluidului la diferite latitudini) duce la liniile de câmp încurcându-se în timp, precum și multe fenomene asociate soarelui, cum ar fi rachete solare și pete solare, și aproximativ 11 ani solare ciclu. Soarele are doi poli, la fel ca un magnet de bară, dar mișcările plasmei soarelui și activitatea solară în creștere treptată determină răsturnarea polilor magnetici la fiecare 11 ani.
Formule de câmp magnetic
Câmpurile magnetice datorate aranjamentelor diferite ale sarcinii în mișcare trebuie să fie derivate individual, dar există multe formule standard pe care le puteți folosi, astfel încât să nu aveți „reinventați roata” fiecare timp. Puteți obține formule pentru practic orice aranjament al sarcinii mobile utilizând legea Biot-Savart sau legea Ampere-Maxwell. Cu toate acestea, formulele rezultate pentru aranjamente simple ale curentului electric sunt atât de frecvent utilizate și citate încât puteți pur și simplu tratați-le ca „formule standard” mai degrabă decât derivându-le din legea Biot-Savart sau Ampere-Maxwell de fiecare dată.
Câmpul magnetic al unui curent liniar este determinat din legea lui Ampere (o formă mai simplă a legii Ampere-Maxwell) ca:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Undeμ0 este așa cum s-a definit mai devreme,Eueste curentul în amperi șireste distanța față de firul pe care îl măsurați câmpul magnetic.
Câmpul magnetic din centrul unei bucle de curent este dat de:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
UndeReste raza buclei, iar celelalte simboluri sunt definite anterior.
În cele din urmă, câmpul magnetic al unui solenoid este dat de:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
UndeNeste numărul de ture șiLeste lungimea solenoidului. Câmpul magnetic al unui solenoid este concentrat în mare parte în centrul bobinei.
Exemple de calcule
Învățarea utilizării acestor ecuații (și a celor ca acestea) este principalul lucru pe care trebuie să-l faci atunci când calculezi un câmp magnetic sau forța magnetică rezultată, deci un exemplu al fiecăruia vă va ajuta să abordați genul de probleme pe care probabil le aveți întâlni.
Pentru un fir drept lung care poartă un curent de 5 amperi, (adică I = 5 A), care este puterea câmpului magnetic la 0,5 m distanță de fir?
Folosind prima ecuație cu I = 5 A și r = 0,5 m se obține:
\ begin {align} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ text {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ text {T} \ end {align}
Acum, pentru o buclă de curent care poartă I = 10 A și cu o rază de r = 0,2 m, care este câmpul magnetic din centrul buclei? A doua ecuație dă:
\ begin {align} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ text {m}} \\ & = 3,14 × 10 ^ {- 5} \ text {T} \ end {align}
În cele din urmă, pentru un solenoid cu N = 15 spire pe o lungime de L = 0,1 m, purtând un curent de 4 A, care este intensitatea câmpului magnetic în centru?
A treia ecuație dă:
\ begin {align} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {turns}} {0.1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7.54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {align}
Alte exemple de calcule ale câmpului magnetic ar putea funcționa puțin diferit - de exemplu, spunându-vă câmpul din centrul unui solenoid și curent, dar cerând raportul N / L - dar atâta timp cât sunteți familiarizați cu ecuațiile, nu veți avea probleme răspunzându-le.