Vad gör att magneter stöter bort?

Ibland kan det hända att magneter stöter ut varandra och andra gånger ser de locka varandra. Att ändra form och orientering mellan två olika magneter kan förändra hur de antingen lockar eller stöter varandra.

Att studera magnetiska material mer detaljerat kan ge dig en bättre uppfattning om hur magnetens avstötande kraft fungerar. Genom dessa exempel kan du se hur nyanserad och kreativ magnetismens teorier och vetenskap kan vara.

Motsatser lockar. För att förklara varför magneter stöter ifrån varandra kommer en nordlig ände av en magnet att lockas söder om en annan magnet. De norra och norra ändarna av två magneter samt de södra och södra ändarna av två magneter stöter ut varandra. Magnetkraften är grunden för elmotorer och attraktiva magneter för användning inom medicin, industri och forskning.

För att förstå hur denna motbjudande kraft fungerar och förklara varför magneter stöter på varandra och drar till sig elektricitet, Det är viktigt att studera magnetkraftens natur och de många former den tar i olika fenomen i fysik.

För två rörliga laddade partiklar med laddningarq₁ochq₂och respektive hastigheterv₁ochv₂åtskilda av en radievektorr, den magnetiska kraften mellan dem ges avBiot-Savart-lag​:

i vilken×betecknartvärprodukt, förklaras nedan.μ₀ = 12.57×10⁻⁷ H / m, som är den magnetiska permeabilitetskonstanten för ett vakuum. Kom ihåg| r |är radiens absoluta värde. Denna kraft beror väldigt mycket på vektorernas riktningv₁​, ​v₂och _r.

Även om ekvationen kan verka liknar den elektriska kraften på laddade partiklar, kom ihåg att magnetkraften endast används för rörliga partiklar. Den magnetiska kraften står inte heller för amagnetisk monopol, en hypotetisk partikel som bara skulle ha en pol, norr eller söder, medan elektriskt laddade partiklar och föremål kan laddas i en riktning, positiv eller negativ. Dessa faktorer orsakar skillnader i kraftformer för magnetism och för elektricitet.

Teorier om elektricitet och magnetism visar också, om du hade två magnetiska monopol som inte rörde sig, de skulle fortfarande uppleva en kraft på samma sätt som en elektrisk kraft skulle uppstå mellan två laddade partiklar.

Forskare har dock inte visat några experimentella bevis för att med säkerhet och förtroende dra slutsatsen att magnetiska monopol finns. Om det visar sig att de existerar kan forskare komma med idéer om "magnetisk laddning" på samma sätt som elektriskt laddade partiklar är.

Om du tänker på vektorernas riktningv₁​, ​v₂ochr, kan du avgöra om kraften mellan dem är attraktiv eller motbjudande. Till exempel om du har en partikel som rör sig framåt i x-riktningen med en hastighetv, då måste detta värde vara positivt. Om den rör sig i den andra riktningen måste v-värdet vara negativt.

Dessa två partiklar stöter bort varandra om de magnetiska krafterna som bestäms av deras respektive magnetfält mellan dem avbryter varandra genom att peka i olika riktningar från varandra. Om de två krafterna pekar i olika riktningar mot varandra är magnetkraften attraktiv. Den magnetiska kraften orsakas av dessa rörelser av partiklar.

Du kan använda dessa idéer för att visa hur magnetism fungerar i vardagliga föremål. Om du till exempel placerar en neodymmagnet nära en stålskruvmejsel och flyttar den uppåt, nedåt på axeln och sedan tar bort magneten, kan skruvmejseln behålla en viss magnetism i den. Detta händer på grund av samverkande magnetfält mellan de två objekten som skapar den attraktiva kraften när de avbryter varandra.

Denna avvisar och lockar definitionen till alla användningar av magneter och magnetfält. Håll reda på vilka riktningar som motsvarar avstötning och attraktion.

•••Syed Hussain Ather

För strömmar, som rör laddningar genom ledningar, kan den magnetiska kraften bestämmas som attraktiv eller frånstötande baserat på ledarnas placeringar i förhållande till varandra och strömriktningen rör sig. För strömmar i cirkulära ledningar kan du använda höger hand för att bestämma hur magnetfält uppstår.

Den högra regeln för strömmar i slingor av ledningar betyder att om du placerar fingrarna på din högra hand böjda i riktningen i en trådslinga kan du bestämma riktningen för det resulterande magnetfältet och det magnetiska momentet, som visas i diagrammet ovan. Detta låter dig bestämma hur öglor är attraktiva eller motbjudande mellan varandra.

Högerregeln låter dig också bestämma riktningen för magnetfältet som strömmen i en rak ledning avger. I det här fallet pekar du höger tumme i strömriktningen genom elkabeln. Riktningen för hur din högra hands fingrar böjer sig bestämmer magnetfältets riktning?

Från dessa exempel på magnetfält inducerad av strömmar kan du bestämma magnetkraften mellan två ledningar som resultat av dessa magnetfältlinjer.

•••Syed Hussain Ather

De magnetiska fälten mellan strömslingornas öglor är antingen attraktiva eller motbjudande beroende på den elektriska strömens riktning och de magnetiska fälternas riktning. Det magnetiska dipolmomentet är styrkan och orienteringen hos en magnet som producerar magnetfältet. I ovanstående diagram visar den resulterande attraktionen eller avstötningen detta beroende.

Du kan föreställa dig de magnetiska fältlinjerna som dessa elektriska strömmar avger som krullning runt varje del av den nuvarande trådslingan. Om dessa slingriktningar mellan de två trådarna är i motsatta riktningar mot varandra kommer kablarna att locka varandra. Om de är i motsatta riktningar från varandra kommer öglorna att stöta ut varandra.

DeLorentz ekvationmäter magnetkraften mellan en partikel i rörelse i ett magnetfält. Ekvationen är

i vilkenFär den magnetiska kraften,qär laddningen av den laddade partikeln,Eär det elektriska fältet,vär partikelns hastighet ochBär magnetfältet. I ekvationen betecknar x korsprodukten mellanqvochB​.

Tvärprodukten kan förklaras med geometri och en annan version av högerregeln. Den här gången använder du högerregeln som en regel för att bestämma riktningen för vektorer i tvärprodukten. Om partikeln rör sig i en riktning som inte är parallell med magnetfältet kommer partikeln att avvisas av den.

Lorentz-ekvationen visar den grundläggande kopplingen mellan elektricitet och magnetism. Detta skulle leda till idéer om elektromagnetiskt fält och elektromagnetisk kraft som representerade både de elektriska och magnetiska komponenterna i dessa fysiska egenskaper.

Den högra regeln säger att korsprodukten mellan två vektorer,aochb, är vinkelrätt mot dem om du pekar ditt högra pekfinger i riktning motboch ditt högra långfinger i riktning mota. Tummen pekar i riktning motcden resulterande vektorn från tvärprodukten frånaochb. Vektorenchar en storlek angiven av arean av parallellogrammet som vektoreraochbspänna.

•••Syed Hussain Ather

Korsprodukten beror på vinkeln mellan de två vektorerna, eftersom detta bestämmer området för parallellogrammet som sträcker sig mellan de två vektorerna. En tvärprodukt för två vektorer kan bestämmas som

för en viss vinkelθmellan vektorernaaochb,med tanke på att det pekar i riktningen som ges av högerregeln mellanaochb​.

Två nordpoler stöter ut varandra, och två sydpoler stöter också varandra precis som hur elektriska laddningar stöter ut varandra och motsatta laddningar lockar varandra. Kompassens magnetiska kompassnål rör sig med ett vridmoment, en kropps rotationskraft i rörelse. Du kan beräkna detta vridmoment med hjälp av en tvärprodukt av rotationskraften, vridmoment, som ett resultat av magnetmomentet med magnetfältet.

I det här fallet kan du använda "tau"

varmär det magnetiska dipolmomentet,Bär magnetfältet, ochθär vinkeln mellan dessa två vektorer. Om du bestämmer hur mycket av magnetkraften som beror på att ett objekt roterar i ett magnetfält, är detta värde vridmomentet. Du kan bestämma antingen magnetmomentet eller magnetfältets kraft.

Eftersom en kompassnål anpassar sig till jordens magnetfält, kommer den att peka norrut eftersom det är dess lägsta energitillstånd att rikta sig på detta sätt. Det är här magnetmomentet och magnetfältet ligger i linje med varandra och vinkeln mellan dem är 0 °. Det är kompassen i vila efter att alla andra krafter som rör kompassen har redovisats. Du kan bestämma styrkan hos denna rotationsrörelse med hjälp av vridmoment.

Ett magnetfält får materien att visa magnetiska egenskaper, särskilt bland element som kobolt och järn som har oparade elektroner som låter laddningar röra sig och magnetfält dyker upp. Magneter som antingen klassificeras som paramagnetiska eller diamagnetiska låter dig avgöra om en magnetisk kraft är attraktiv eller avstötande av magnetens poler.

Diamagneter har inga eller få oparade elektroner och kan inte låta laddningar flöda fritt så lätt som andra material gör. De avvisas av magnetfält. Paramagneter har oparade elektroner för att låta laddningen flöda och lockas därför av magnetfält. För att avgöra om ett material är diamagnetiskt eller paramagnetiskt, bestäm hur elektroner upptar orbitaler baserat på deras energi i förhållande till resten av atomen.

Se till att elektroner måste uppta varje omlopp med endast en elektron innan orbitalerna har två elektroner. Om du hamnar med oparade elektroner, vilket är fallet med syre O₂, materialet är paramagnetiskt. Annars är det diamagnetiskt, som N₂. Du kan föreställa dig denna attraktiva eller frånstötande kraft som interaktionen mellan den ena magnetiska dipolen och den andra.

Den potentiella energin hos en dipol i ett externt magnetfält ges av punktprodukten mellan magnetmomentet och magnetfältet. Denna potentiella energi är

för vinkelnθmellan m och B. Punktprodukten mäter den skalära summan till följd av att multiplicera x-komponenterna i en vektor med x-komponenterna i en annan medan de gör samma för y-komponenter.

Till exempel om du hade vektora = 2i + 3jochb = 4i + 5j, den resulterande punktprodukten av de två vektorerna skulle vara24 + 35 = 23. Minustecknet i ekvationen för potentiell energi indikerar att potential definieras som negativ för högre potentialenergier med magnetisk kraft.