Polia sú všade okolo nás. Či už je to gravitačné pole spôsobené hmotnosťou Zeme alebo elektrické polia vytvorené nabitými časticami, ako sú elektróny, všade sú neviditeľné polia predstavujúce potenciály a neviditeľné sily schopné vhodným spôsobom pohybovať objektmi charakteristiky.
Napríklad elektrické pole v oblasti znamená, že nabitý objekt sa môže pri vstupe do oblasti odkloniť od pôvodnej dráhy a gravitačné pole vďaka hmotnosti Zeme vás udrží pevne na povrchu Zeme, pokiaľ neurobíte nejakú prácu na jeho prekonanie vplyv.
Magnetické polia sú príčinou magnetických síl a objekty, ktoré vyvíjajú magnetické sily na iné objekty, tak vytvárajú prostredníctvom magnetického poľa. Magnetické polia je možné detegovať vychýlením ihiel kompasu, ktoré sa zoradia s siločarami (magnetický sever od ihly smerujúci k magnetickému juhu). Ak študujete elektrinu a magnetizmus, dozvedieť sa viac o magnetických poliach a magnetickej sile je zásadným krokom na vašej ceste.
Čo je to magnetické pole?
Vo fyzike sú všeobecne polia vektory s hodnotami v každej oblasti vesmíru, ktoré vám povedia, aký silný alebo slabý je efekt v danom bode, a smer účinku. Napríklad objekt s hmotou, podobne ako slnko, vytvára gravitačné pole a ostatné objekty s hmotou vstupujúcou do tohto poľa sú vďaka tomu ovplyvnené silou. Takto gravitačné pôsobenie slnka udržuje Zem na obežnej dráhe okolo nej.
Ďalej v slnečnej sústave, napríklad v rozsahu obežnej dráhy Uránu, pôsobí rovnaká sila, ale sila je oveľa nižšia. Vždy je to namierené priamo do slnka; ak si predstavíte súbor šípov obklopujúcich slnko, všetky smerujúce k nemu, ale s dlhšími dĺžkami na malú vzdialenosť (silnejšia sila) a menšie dĺžky na veľké vzdialenosti (slabšia sila), v podstate ste si predstavovali gravitačné pole v slnečnej sústave systém.
Rovnako ako toto, aj objekty s nábojom vytvárajú elektrické polia a vytvárajú sa pohyblivé nábojemagnetické polia, ktoré môžu viesť k magnetickej sile v blízkom nabitom objekte alebo iných magnetických materiáloch.
Tieto polia sú z hľadiska tvaru trochu komplikovanejšie ako gravitačné polia, pretože majú slučkové magnetické pole siločiary, ktoré vychádzajú z kladného (alebo severného pólu) a končia na zápornom (alebo južnom póle), ale vypĺňajú rovnaké základné úlohu. Sú ako silové čiary, ktoré vám povedia, ako sa bude správať objekt umiestnený na danom mieste. Môžete to jasne vizualizovať pomocou železných pilín, ktoré sa vyrovnajú s vonkajším magnetickým poľom.
Magnetické polia súvždy dipólové polia, takže neexistujú žiadne magnetické monopoly. Magnetické polia sú spravidla reprezentované písmenomB, ale ak magnetické pole prechádza magnetickým materiálom, môže sa to polarizovať a vytvoriť si vlastné magnetické pole. Toto druhé pole prispieva k prvému poľu a na ich kombináciu sa odkazuje v písmeneH, kde
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {a} \ mu_m = K_m \ mu_0
s μ0 = 4π × 10−7 H / m (t. J. Magnetická permeabilita voľného priestoru) a K.m je relatívna permeabilita príslušného materiálu.
Množstvo magnetického poľa prechádzajúceho danou oblasťou sa nazýva magnetický tok. Hustota magnetického toku súvisí s miestnou intenzitou poľa. Pretože magnetické polia sú vždy dipolárne, čistý magnetický tok cez uzavretý povrch je 0. (Akékoľvek siločiary, ktoré opúšťajú povrch, nevyhnutne do neho vstupujú znova a rušia sa.)
Jednotky a meranie
Jednotkou SI sily magnetického poľa je tesla (T), kde:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Ďalšou široko používanou jednotkou pre intenzitu magnetického poľa je gauss (G), kde:
1 gauss = 1 G = 10−4 T
Tesla je pomerne veľká jednotka, takže v mnohých praktických situáciách je gauss užitočnejšia voľba - napríklad a magnet v chladničke bude mať silu asi 100 G, zatiaľ čo magnetické pole Zeme na povrchu Zeme je asi 0,5 G.
Príčiny magnetických polí
Elektrina a magnetizmus sú navzájom zásadne prepojené, pretože magnetické polia sa vytvárajú pohybujúcim sa nábojom (napríklad elektrické prúdy) alebo meniace sa elektrické polia, zatiaľ čo meniace sa magnetické pole vytvára elektrický prúd lúka.
V tyčovom magnetu alebo podobnom magnetickom objekte magnetické pole vzniká z niekoľkých magnetických „domén“ zarovnávajú, ktoré sa zase vytvárajú pohybom nabitých elektrónov okolo jadier ich atómy. Tieto pohyby vytvárajú malé magnetické polia v rámci domény. Vo väčšine materiálov budú domény náhodne zarovnávať a navzájom sa rušiť, ale v niektorých materiály, magnetické polia v susedných doménach sa zarovnajú, čo vedie k zväčšeniu magnetizmus.
Magnetické pole Zeme sa tiež generuje pohybujúcim sa nábojom, ale v tomto prípade magnetické pole vytvára pohyb roztavenej vrstvy obklopujúcej zemské jadro. Vysvetľuje toteória dynama, ktorý popisuje, ako rotujúca, elektricky nabitá tekutina vytvára magnetické pole. Vonkajšie jadro Zeme obsahuje neustále sa pohybujúce tekuté železo, pričom elektróny prechádzajú kvapalinou a vytvárajú magnetické pole.
Slnko má tiež magnetické pole a vysvetlenie toho, ako to funguje, je veľmi podobné. Meniace sa rýchlosti otáčania rôznych častí slnka (t. J. Tekutina podobného materiálu v rôznych zemepisných šírkach) však vedie k siločarám zamotanie sa v priebehu času, ako aj mnohé javy spojené so slnkom, ako sú slnečné erupcie a slnečné škvrny, a zhruba 11-ročný slnečný svit cyklu. Slnko má dva póly, rovnako ako tyčový magnet, ale pohyby slnečnej plazmy a postupne sa zvyšujúca slnečná aktivita spôsobuje, že sa magnetické póly otáčajú každých 11 rokov.
Vzorce magnetického poľa
Magnetické polia v dôsledku rozdielneho usporiadania pohybujúceho sa náboja je potrebné odvodiť individuálne, ale môžete použiť veľa štandardných vzorcov, aby ste nemuseli každý „vynaliezať koleso“ každý čas. Vzorce pre akékoľvek usporiadanie pohyblivého náboja môžete odvodiť pomocou zákona Biot-Savart alebo Ampere-Maxwell. Výsledné vzorce pre jednoduché usporiadanie elektrického prúdu sú však tak bežne používané a citované, že môžete jednoducho s nimi zaobchádzajte ako so „štandardnými vzorcami“, a nie zakaždým, keď ich odvodíte zo zákona Biot-Savart alebo Ampere-Maxwell.
Magnetické pole jednosmerného prúdu je určené z Ampérovho zákona (jednoduchšia forma Ampere-Maxwellovho zákona) ako:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Kdeμ0 je definované skôr,Jaje prúd v ampéroch arje vzdialenosť od drôtu, ktorým meriate magnetické pole.
Magnetické pole v strede prúdovej slučky je dané:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
KdeRje polomer slučky a ostatné symboly sú definované vyššie.
Nakoniec je magnetické pole solenoidu dané:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
KdeNje počet závitov aĽje dĺžka solenoidu. Magnetické pole solenoidu je zväčša koncentrované v strede cievky.
Príklady výpočtov
Naučiť sa používať tieto (a im podobné) rovnice je hlavná vec, ktorú musíte urobiť pri výpočte magnetického poľa alebo výsledná magnetická sila, takže príklad každého z nich vám pomôže vyriešiť ten problém, ktorý pravdepodobne nájdete stretnutie.
Aká je sila magnetického poľa pre dlhý priamy vodič s prúdom 5 A (tj. I = 5 A) vzdialený 0,5 m od vodiča?
Použitie prvej rovnice s I = 5 A a r = 0,5 m dáva:
\ begin {aligned} 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 {zarovnaný}
Teraz pre prúdovú slučku s I = 10 A a s polomerom r = 0,2 m, aké je magnetické pole v strede slučky? Druhá rovnica dáva:
\ begin {aligned} 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 {zarovnaný}
Aká je sila magnetického poľa v strede pre solenoid s N = 15 závitov v dĺžke L = 0,1 m, ktorý vedie prúd 4 A?
Tretia rovnica dáva:
\ begin {aligned} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {turn}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7,54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {zarovnaný}
Ďalšie príklady výpočtov magnetického poľa môžu fungovať trochu inak - napríklad keď vám povieme pole v strede a solenoid a prúd, ale pýtajte sa na pomer N / L - ale pokiaľ ovládate rovnice, nebudete mať problémy odpovedať na ne.