Иногда вы можете увидеть, как магниты отталкиваются друг от друга, а иногда - как они притягиваются. Изменение формы и ориентации двух разных магнитов может изменить способ их притяжения или отталкивания.
Более подробное изучение магнитных материалов может дать вам лучшее представление о том, как работает сила отталкивания магнита. На этих примерах вы можете увидеть, насколько тонкими и творческими могут быть теории и наука о магнетизме.
Отталкивающая сила магнита
Противоположности притягиваются. Чтобы объяснить, почему магниты отталкиваются друг от друга, северный конец одного магнита будет притягиваться к югу от другого магнита. Северный и северный концы двух магнитов, а также южный и южный концы двух магнитов будут отталкивать друг друга. Магнитная сила является основой электродвигателей и привлекательных магнитов для использования в медицине, промышленности и исследованиях.
Чтобы понять, как работает эта сила отталкивания, и объяснить, почему магниты отталкивают друг друга и притягивают электричество, важно изучить природу магнитной силы и множество форм, которые она принимает в различных явлениях в физика.
Магнитная сила на частицах
Для двух движущихся заряженных частиц с зарядамиq1а такжеq2и соответствующие скоростиv1а такжеv2разделенные радиус-векторомр, магнитная сила между ними задаетсяЗакон Био-Савара:
F = \ frac {\ mu_0 q_1 q_2} {4 \ pi | r | ^ 2} v_1 \ times (v_2 \ times r)
в котором×обозначаетперекрестное произведение, объясняется ниже.μ0 = 12.57×10−7 H / м, которая является константой магнитной проницаемости для вакуума. Иметь ввиду| г |- абсолютное значение радиуса. Эта сила очень сильно зависит от направления векторовv1, v2, а также р.
Хотя уравнение может показаться похожим на электрическую силу, действующую на заряженные частицы, имейте в виду, что магнитная сила используется только для движущихся частиц. Магнитная сила также не учитываетмагнитный монополь, гипотетическая частица, которая будет иметь только один полюс, север или юг, в то время как электрически заряженные частицы и объекты могут заряжаться в одном направлении, положительном или отрицательном. Эти факторы вызывают различия в формах силы для магнетизма и электричества.
Теории электричества и магнетизма также показывают, что если бы у вас были два магнитных монополя, которые не двигались, они все равно будут испытывать силу так же, как электрическая сила, возникающая между двумя заряженными частицы.
Однако ученые не представили никаких экспериментальных доказательств, позволяющих с уверенностью и уверенностью заключить, что магнитные монополи существуют. Если окажется, что они действительно существуют, ученые могли бы придумать идеи «магнитного заряда» так же, как электрически заряженные частицы.
Определение притяжения и отталкивания магнетизма
Если иметь в виду направление векторовv1, v2, а такжер, вы можете определить, является ли сила между ними притягивающей или отталкивающей. Например, если у вас есть частица, движущаяся вперед в направлении x со скоростьюv, то это значение должно быть положительным. Если он движется в другом направлении, то значение v должно быть отрицательным.
Эти две частицы отталкиваются друг от друга, если магнитные силы, определяемые их соответствующими магнитными полями между ними, нейтрализуют друг друга, указывая в разных направлениях друг от друга. Если две силы направлены в разные стороны друг к другу, магнитная сила притягивает. Магнитная сила вызвана этими движениями частиц.
Вы можете использовать эти идеи, чтобы показать, как магнетизм работает с повседневными предметами. Например, если вы поместите неодимовый магнит рядом со стальной отверткой и переместите его вверх, вниз по валу, а затем удалите магнит, отвертка может сохранить в нем некоторый магнетизм. Это происходит из-за взаимодействующих магнитных полей между двумя объектами, которые создают силу притяжения, когда они нейтрализуют друг друга.
Это определение «отталкивать и притягивать» справедливо во всех случаях использования магнитов и магнитных полей. Следите за тем, какие направления соответствуют отталкиванию и притяжению.
Магнитная сила между проводами
•••Сайед Хуссейн Атер
Для токов, которые перемещают заряды по проводам, магнитная сила может быть определена как притягивающая или отталкивающий, основанный на расположении проводов относительно друг друга и направлении тока движется. Для токов в круглых проводах вы можете использовать правую руку, чтобы определить, как возникают магнитные поля.
Правило правой руки для токов в петлях из проводов означает, что если вы поместите пальцы правой руки, согнутые в направлении проволочной петли, вы можете определить направление результирующего магнитного поля и магнитный момент, как показано на схеме выше. Это позволяет определить, насколько петли привлекательны или отталкивают друг друга.
Правило правой руки также позволяет определить направление магнитного поля, которое излучает ток в прямом проводе. В этом случае вы указываете большим пальцем правой руки в направлении тока через электрический провод. Направление сгибания пальцев правой руки определяет направление магнитного поля?
Из этих примеров магнитного поля, индуцированного токами, вы можете определить магнитную силу между двумя проводами в результате формирования этих силовых линий магнитного поля.
Определение притяжения и отталкивания электричества
•••Сайед Хуссейн Атер
Магнитные поля между витками токоведущих проводов являются либо притягивающими, либо отталкивающими, в зависимости от направления электрического тока и направления возникающих из них магнитных полей. Магнитный дипольный момент - это сила и ориентация магнита, создающего магнитное поле. На приведенной выше диаграмме результирующее притяжение или отталкивание показывает эту зависимость.
Вы можете представить себе силовые линии магнитного поля, излучаемые этими электрическими токами, как вьющиеся вокруг каждой части токовой петли. Если направления петли между двумя проводами противоположны друг другу, провода будут притягиваться друг к другу. Если они находятся в противоположных направлениях друг от друга, петли будут отталкивать друг друга.
Магниты отталкивают и притягивают электричество
ВУравнение Лоренцаизмеряет магнитную силу между частицами, движущимися в магнитном поле. Уравнение
F = qE + qv \ раз B
в которомFмагнитная сила,q- заряд заряженной частицы,Eэлектрическое поле,v- скорость частицы, аBмагнитное поле. В уравнении x обозначает перекрестное произведение междуqvа такжеB.
Перекрестное произведение можно объяснить с помощью геометрии и другой версии правила правой руки. На этот раз вы используете правило правой руки как правило для определения направления векторов в перекрестном произведении. Если частица движется в направлении, не параллельном магнитному полю, частица будет отталкиваться от нее.
Уравнение Лоренца показывает фундаментальную связь между электричеством и магнетизмом. Это привело бы к идеям об электромагнитном поле и электромагнитной силе, которые представляют как электрические, так и магнитные компоненты этих физических свойств.
Перекрестный продукт
Правило правой руки говорит вам, что перекрестное произведение двух векторов,аа такжеб, является перпендикуляром к ним, если вы укажете указательным пальцем правой руки в направленииби средний палец правой руки в направленииа. Ваш большой палец будет указывать в направленииc, результирующий вектор из векторного произведенияаа такжеб. Векторcимеет величину, равную площади параллелограмма, который вектороваа такжебохватывать.
•••Сайед Хуссейн Атер
Перекрестное произведение зависит от угла между двумя векторами, поскольку он определяет площадь параллелограмма, который проходит между двумя векторами. Перекрестное произведение для двух векторов может быть определено как
a \ times b = | a || b | \ sin {\ theta}
под каким-то угломθмежду векторамиаа такжеб,имея в виду, это указывает в направлении, заданном правилом правой руки междуаа такжеб.
Магнитная сила компаса
Два северных полюса отталкиваются друг от друга, а два южных полюса также будут отталкивать друг друга, точно так же, как электрические заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу. Стрелка магнитного компаса компаса движется с крутящим моментом - силой вращения движущегося тела. Вы можете рассчитать этот крутящий момент, используя перекрестное произведение вращательной силы на крутящий момент, как результат магнитного момента с магнитным полем.
В этом случае можно использовать «тау».
\ tau = m \ times B = | m || B | \ sin {\ theta}
гдем- магнитный дипольный момент,B- магнитное поле, аθугол между этими двумя векторами. Если вы определите, какая часть магнитной силы связана с вращением объекта в магнитном поле, это значение будет крутящим моментом. Вы можете определить либо магнитный момент, либо силу магнитного поля.
Так как стрелка компаса совмещается с магнитным полем Земли, она будет указывать на север, потому что такое выравнивание является ее самым низким энергетическим состоянием. Здесь магнитный момент и магнитное поле совпадают друг с другом, а угол между ними равен 0 °. Это компас в состоянии покоя после того, как были учтены все остальные силы, перемещающие компас. Вы можете определить силу этого вращательного движения с помощью крутящего момента.
Обнаружение отталкивающей силы магнита
Магнитное поле заставляет материю проявлять магнитные свойства, особенно среди таких элементов, как кобальт и железо, которые имеют неспаренные электроны, которые позволяют зарядам перемещаться и возникать магнитные поля. Магниты, которые классифицируются как парамагнитные или диамагнитные, позволяют определить, является ли магнитная сила притягивающей или отталкивающей со стороны полюсов магнита.
В диамагнетиках нет или мало неспаренных электронов, и они не могут позволить зарядам течь свободно, как это делают другие материалы. Они отталкиваются магнитными полями. У парамагнетиков есть неспаренные электроны, которые пропускают заряд, и поэтому их притягивают магнитные поля. Чтобы определить, является ли материал диамагнитным или парамагнитным, определите, как электроны занимают орбитали, на основе их энергии по отношению к остальной части атома.
Убедитесь, что электроны должны занять каждую орбиталь только с одним электроном, прежде чем на орбиталях будет два электрона. Если у вас останутся неспаренные электроны, как в случае с кислородом O2, материал парамагнитен. В противном случае он диамагнитен, как N2. Вы можете представить эту силу притяжения или отталкивания как взаимодействие одного магнитного диполя с другим.
Потенциальная энергия диполя во внешнем магнитном поле дается скалярным произведением между магнитным моментом и магнитным полем. Эта потенциальная энергия равна
U = -m \ cdot B = - | m || B | \ cos {\ theta}
для углаθмежду м и Б. Скалярное произведение измеряет скалярную сумму, полученную в результате умножения компонентов x одного вектора на компоненты x другого, при этом то же самое делается для компонентов y.
Например, если у вас есть вектора = 2i + 3jа такжеб = 4i + 5j, результирующее скалярное произведение двух векторов будет24 + 35 = 23. Знак минус в уравнении для потенциальной энергии указывает, что потенциал определяется как отрицательный для более высоких потенциальных энергий магнитной силы.