Polja so povsod okoli nas. Ne glede na to, ali gre za gravitacijsko polje, ki ga povzroča Zemljina masa, ali električna polja, ki jih ustvarjajo nabiti delci, kot so elektroni, povsod so nevidna polja, ki predstavljajo potenciale in nevidne sile, ki lahko premikajo predmete z ustreznimi značilnosti.
Na primer, električno polje na območju pomeni, da se lahko naelektreni predmet odbije s prvotne poti, ko vstopi v območje, in gravitacijsko polje zaradi Zemljine mase vas trdno drži na površini Zemlje, razen če naredite nekaj za premagovanje njegove vpliv.
Magnetna polja so vzrok magnetnih sil, predmeti, ki na druge predmete izvajajo magnetne sile, pa to storijo tako, da ustvarijo magnetno polje. Magnetna polja lahko zaznamo z odklonom igel kompasa, ki se poravnajo s poljskimi črtami (magnetni sever igle, usmerjen proti magnetnemu jugu). Če preučujete elektriko in magnetizem, je učenje več o magnetnih poljih in magnetni sili ključni korak na vašem potovanju.
Kaj je magnetno polje?
V fiziki na splošno so polja vektorji z vrednostmi na vseh območjih vesolja, ki vam povejo, kako močan ali šibek je učinek na tej točki in smer učinka. Na primer, predmet z maso, kot je sonce, ustvari gravitacijsko polje, na druge predmete z maso, ki vstopa v to polje, pa vpliva sila. Tako gravitacijski vlek sonca drži Zemljo v orbiti okoli sebe.
Dlje v sončnem sistemu, na primer v območju Uranove orbite, velja enaka sila, vendar je moč veliko manjša. Vedno je usmerjen naravnost v sonce; če si predstavljate zbirko puščic, ki obkrožajo sonce, vse usmerjene proti njemu, vendar z daljšimi razdaljami na dolge razdalje (močnejša sila) in manjše dolžine na velikih razdaljah (šibkejša sila), v bistvu ste si zamislili gravitacijsko polje v soncu sistem.
Na enak način kot predmeti s polnjenjem ustvarjajo električna polja, gibljivi naboji pa ustvarjajomagnetna polja, ki lahko v bližnjem napolnjenem predmetu ali drugih magnetnih materialih povzroči magnetno silo.
Ta polja so po obliki nekoliko bolj zapletena kot gravitacijska polja, saj imajo magnetno zanko poljske črte, ki izhajajo iz pozitivnega (ali severnega pola) in se končajo na negativnem (ali južnem polu), vendar zapolnjujejo iste osnovne vlogo. So kot črte sile, ki vam povedo, kako se bo obnašal predmet, postavljen na lokaciji. To lahko jasno predstavite z železnimi opilki, ki se poravnajo z zunanjim magnetnim poljem.
Magnetna polja sonenehno dipolna polja, zato magnetnih monopolov ni. Na splošno so magnetna polja predstavljena s črkoB, če pa magnetno polje prehaja skozi magnetni material, lahko to postane polarizirano in ustvari lastno magnetno polje. To drugo polje prispeva k prvemu polju, kombinacija obeh pa je navedena v črkiH, kje
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ besedilo {in} \ mu_m = K_m \ mu_0
z μ0 = 4π × 10−7 H / m (tj. Magnetna prepustnost prostega prostora) in Km relativna prepustnost zadevnega materiala.
Količina magnetnega polja, ki prehaja skozi določeno območje, se imenuje magnetni tok. Gostota magnetnega pretoka je povezana z lokalno jakostjo polja. Ker so magnetna polja vedno dipolarna, je neto magnetni tok skozi zaprto površino 0. (Vse črte polja, ki izstopajo s površine, jo nujno vnesite znova in prekličite.)
Enote in meritve
Enota jakosti magnetnega polja SI je tesla (T), kjer:
1 tesla = 1 T = 1 kg / A s2 = 1 V s / m2 = 1 N / A m
Druga pogosto uporabljena enota za jakost magnetnega polja je gauss (G), kjer:
1 gaus = 1 G = 10−4 T
Tesla je precej velika enota, zato je v mnogih praktičnih situacijah gaus bolj uporabna izbira - na primer a magnet za hladilnik bo imel jakost približno 100 G, medtem ko je Zemljino magnetno polje na površini Zemlje približno 0,5 G.
Vzroki za magnetna polja
Elektrika in magnetizem sta v osnovi prepleteni, ker magnetna polja nastanejo s premikanjem naboja (kot so električni tokovi) ali spreminjajoča se električna polja, medtem ko spreminjajoče se magnetno polje ustvarja električno polje.
V palicnem magnetu ali podobnem magnetnem predmetu je magnetno polje posledica več magnetnih "domen" postajajo poravnane, ki pa nastanejo zaradi gibanja nabitih elektronov okoli njihovih jeder atomi. Ta gibanja ustvarjajo majhna magnetna polja znotraj domene. V večini materialov bodo domene naključno poravnane in se bodo medsebojno izničile, v nekaterih pa materialov, se magnetna polja v sosednjih domenah poravnajo, kar povzroči večje obsege magnetizem.
Tudi magnetno polje Zemlje ustvarja premikajoč se naboj, toda v tem primeru je gibanje staljene plasti, ki obdaja jedro Zemlje, tisto, ki ustvarja magnetno polje. To je razloženo zdinamo teorija, ki opisuje, kako vrtljiva, električno nabita tekočina ustvarja magnetno polje. Zemljino zunanje jedro vsebuje tekoče železo, ki se nenehno premika, pri čemer elektroni potujejo skozi tekočino in ustvarjajo magnetno polje.
Sonce ima tudi magnetno polje in razlaga, kako to deluje, je zelo podobna. Vendar različne hitrosti vrtenja različnih delov sonca (tj. Tekočini podobnega materiala na različnih zemljepisnih širinah) vodijo do poljskih linij sčasoma se zapletajo, pa tudi številni pojavi, povezani s soncem, kot so sončni žarki in sončne pege ter približno 11-letna sončna svetloba cikel. Sonce ima dva pola, tako kot palicni magnet, toda gibanje sončne plazme in postopno naraščajoča sončna aktivnost povzroča, da se magnetni polovi obračajo vsakih 11 let.
Formule magnetnega polja
Magnetna polja zaradi različnih ureditev gibljivega naboja je treba izpeljati posamično, vendar obstaja veliko standardnih formul, ki jih lahko uporabite, tako da vam ni treba "znova izumiti kolesa" čas. Izdelate lahko formule za v osnovi kakršno koli ureditev gibljivega naboja z uporabo zakona Biot-Savart ali Ampere-Maxwella. Vendar pa se dobljene formule za preproste razporeditve električnega toka tako pogosto uporabljajo in navajajo, da lahko preprosto jih obravnavajte kot "standardne formule", namesto da bi jih vsakič izpeljali iz zakona Biot-Savart ali Ampere-Maxwell.
Magnetno polje enakomernega toka je določeno iz Amperejevega zakona (enostavnejša oblika Ampere-Maxwellovega zakona) kot:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Kjeμ0 je opredeljeno prej,jazje tok v amperih inrje razdalja od žice, ki jo merite z magnetnim poljem.
Magnetno polje v središču tokovne zanke je izraženo z:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
KjeRje polmer zanke, drugi simboli pa so določeni prej.
Na koncu je magnetno polje magnetnega polja določeno z:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
KjeNje število obratov inLje dolžina solenoida. Magnetno polje magnetnega polja je večinoma koncentrirano v središču tuljave.
Primeri izračunov
Naučiti se uporabljati te enačbe (in takšne, kot so jim) je glavna stvar, ki jo boste morali narediti pri izračunu magnetnega polja ali posledično magnetno silo, zato vam bo vsak primer pomagal pri reševanju težav, za katere boste verjetno srečanje.
Kakšna je jakost magnetnega polja, oddaljenega 0,5 m od žice za dolgo ravno žico, ki nosi 5-amperski tok (tj. I = 5 A)?
Uporaba prve enačbe z I = 5 A in r = 0,5 m daje:
\ start {poravnano} B & = \ frac {μ_0 I} {2 π r} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 5 \ text {A}} { 2π × 0,5 \ besedilo {m}} \\ & = 2 × 10 ^ {- 6} \ besedilo {T} \ konec {poravnano}
Kolikšno je magnetno polje v središču zanke za trenutno zanko z I = 10 A in s polmerom r = 0,2 m? Druga enačba daje:
\ začeti {poravnano} B & = \ frac {μ_0 I} {2R} \\ & = \ frac {4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × 10 \ text {A}} {2 × 0,2 \ besedilo {m}} \\ & = 3,14 × 10 ^ {- 5} \ besedilo {T} \ konec {poravnano}
Nazadnje, kolikšna je jakost magnetnega polja v središču magnetnega polja z N = 15 obratov v dolžini L = 0,1 m, ki nosi tok 4 A?
Tretja enačba daje:
\ začetek {poravnano} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ besedilo {H / m} × \ frac {15 \ besedilo {zavoji}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7,54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ konec {poravnano}
Drugi primeri izračunov magnetnega polja lahko delujejo nekoliko drugače - na primer, če vam povemo polje v središču a elektromagnet in tok, vendar prosi za razmerje N / L - toda dokler poznate enačbe, ne boste imeli težav odgovarjanje nanje.
