บางครั้งคุณอาจเห็นแม่เหล็กผลักกัน และในบางครั้งอาจเห็นว่าแม่เหล็กดึงดูดกันและกัน การเปลี่ยนรูปร่างและทิศทางระหว่างแม่เหล็กสองชนิดที่ต่างกันสามารถเปลี่ยนวิธีที่แม่เหล็กดึงดูดหรือผลักกัน
การศึกษาวัสดุแม่เหล็กในรายละเอียดมากขึ้นจะช่วยให้คุณมีความคิดที่ดีขึ้นว่าแรงผลักของแม่เหล็กทำงานอย่างไร จากตัวอย่างเหล่านี้ คุณจะเห็นว่าทฤษฎีและวิทยาศาสตร์ของสนามแม่เหล็กมีความเหมาะสมและสร้างสรรค์เพียงใด
แรงผลักของแม่เหล็ก
ตรงกันข้ามดึงดูด เพื่ออธิบายว่าเหตุใดแม่เหล็กจึงผลักกัน ปลายด้านเหนือของแม่เหล็กจะถูกดึงดูดไปทางทิศใต้ของแม่เหล็กอีกอันหนึ่ง ปลายด้านเหนือและด้านเหนือของแม่เหล็กสองอัน เช่นเดียวกับปลายด้านใต้และด้านใต้ของแม่เหล็กสองอันจะผลักกัน แรงแม่เหล็กเป็นพื้นฐานสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าและแม่เหล็กที่น่าดึงดูดสำหรับใช้ในทางการแพทย์ อุตสาหกรรม และการวิจัย
เพื่อทำความเข้าใจว่าแรงผลักนี้ทำงานอย่างไร และอธิบายว่าทำไมแม่เหล็กจึงผลักกันและดึงดูดกระแสไฟฟ้า สิ่งสำคัญคือต้องศึกษาธรรมชาติของแรงแม่เหล็กและรูปแบบต่างๆ ที่ใช้ในปรากฏการณ์ต่างๆ ใน ฟิสิกส์.
แรงแม่เหล็กบนอนุภาค
สำหรับอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่สองตัวที่มีประจุq1และ
F=\frac{\mu_0 q_1 q_2}{4\pi |r|^2}v_1\times (v_2\times r)
ซึ่งใน×หมายถึงข้ามผลิตภัณฑ์อธิบายไว้ด้านล่างμ0 = 12.57×10−7 H/mซึ่งเป็นค่าคงที่การซึมผ่านของแม่เหล็กสำหรับสุญญากาศ จำไว้ให้ขึ้นใจ|r|คือค่าสัมบูรณ์ของรัศมี แรงนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางของเวกเตอร์อย่างใกล้ชิดวี1, วี2, และ r.
แม้ว่าสมการอาจดูคล้ายกับแรงไฟฟ้าของอนุภาคที่มีประจุ โปรดจำไว้ว่า แรงแม่เหล็กใช้สำหรับอนุภาคที่เคลื่อนที่เท่านั้น แรงแม่เหล็กไม่ได้คำนึงถึง aโมโนโพลแม่เหล็กอนุภาคสมมุติที่มีขั้วเดียว เหนือหรือใต้ ในขณะที่อนุภาคและวัตถุที่มีประจุไฟฟ้าสามารถประจุในทิศทางเดียว บวกหรือลบ ปัจจัยเหล่านี้ทำให้เกิดความแตกต่างในรูปแบบของแรงแม่เหล็กและไฟฟ้า
ทฤษฎีไฟฟ้าและแม่เหล็กยังแสดงให้เห็นด้วยว่า ถ้าคุณมีขั้วแม่เหล็กสองขั้วที่ไม่เคลื่อนที่ พวกเขายังคงประสบกับแรงในลักษณะเดียวกับที่แรงไฟฟ้าจะเกิดขึ้นระหว่างประจุสองประจุ อนุภาค
อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้แสดงหลักฐานการทดลองใดๆ เพื่อสรุปด้วยความมั่นใจและมั่นใจว่าโมโนโพลแม่เหล็กมีอยู่จริง หากปรากฎว่ามีจริง นักวิทยาศาสตร์สามารถคิดแนวคิดเรื่อง "ประจุแม่เหล็ก" ในลักษณะเดียวกับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า
นิยามแม่เหล็กขับไล่และดึงดูด
หากคุณจำทิศทางของเวกเตอร์วี1, วี2, และrคุณสามารถกำหนดได้ว่าแรงระหว่างพวกมันนั้นน่าดึงดูดหรือน่ารังเกียจ ตัวอย่างเช่น หากคุณมีอนุภาคเคลื่อนที่ไปข้างหน้าในทิศ x ด้วยความเร็ววีค่านี้ต้องเป็นค่าบวก หากเคลื่อนที่ไปในทิศทางอื่น ค่า v ต้องเป็นค่าลบ
อนุภาคทั้งสองนี้จะขับไล่กันหากแรงแม่เหล็กที่กำหนดโดยสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องระหว่างอนุภาคทั้งสองหักล้างกันโดยชี้ไปในทิศทางที่ต่างกันออกไป หากแรงทั้งสองชี้ไปในทิศทางต่างกัน แสดงว่าแรงแม่เหล็กนั้นน่าดึงดูด แรงแม่เหล็กเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้
คุณสามารถใช้แนวคิดเหล่านี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าแม่เหล็กทำงานอย่างไรในสิ่งของในชีวิตประจำวัน ตัวอย่างเช่น หากคุณวางแม่เหล็กนีโอไดเมียมไว้ใกล้ไขควงเหล็กแล้วเลื่อนขึ้น ลงเพลาแล้วถอดแม่เหล็กออก ไขควงอาจเก็บแม่เหล็กไว้บางส่วน สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุทั้งสองที่สร้างแรงดึงดูดเมื่อพวกมันหักล้างซึ่งกันและกัน
การขับไล่และดึงดูดคำจำกัดความนี้ถือเป็นการใช้แม่เหล็กและสนามแม่เหล็กทั้งหมด ติดตามทิศทางที่สอดคล้องกับแรงผลักและแรงดึงดูด
แรงแม่เหล็กระหว่างสาย
•••Syed Hussain Ather A
สำหรับกระแสซึ่งกำลังเคลื่อนที่ประจุผ่านสายไฟ แรงแม่เหล็กสามารถกำหนดได้ว่ามีความน่าดึงดูดหรือ น่ารังเกียจตามตำแหน่งของสายไฟที่สัมพันธ์กันและทิศทางของกระแส ย้าย สำหรับกระแสที่เป็นเส้นวงกลม คุณสามารถใช้มือขวาเพื่อกำหนดว่าสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นได้อย่างไร
กฎมือขวาสำหรับกระแสในลูปของสายไฟหมายความว่าหากคุณวางนิ้วของมือขวางอไปในทิศทาง ของวงลวดคุณสามารถกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นและโมเมนต์แม่เหล็กดังแสดงในแผนภาพ ข้างบน. วิธีนี้ช่วยให้คุณกำหนดได้ว่าลูปจะดึงดูดหรือน่ารังเกียจระหว่างกันอย่างไร
กฎมือขวายังช่วยให้คุณกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กที่กระแสในเส้นลวดเส้นตรงปล่อยออกมา ในกรณีนี้ คุณชี้นิ้วโป้งขวาไปในทิศทางของกระแสผ่านสายไฟฟ้า ทิศทางที่มือขวาของคุณม้วนงอเป็นตัวกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็ก?
จากตัวอย่างสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสเหล่านี้ คุณสามารถกำหนดแรงแม่เหล็กระหว่างสายสองเส้นอันเป็นผลมาจากเส้นสนามแม่เหล็กเหล่านี้
นิยามการขับไล่และดึงดูดไฟฟ้า
•••Syed Hussain Ather A
สนามแม่เหล็กระหว่างลูปของสายไฟปัจจุบันมีความน่าสนใจหรือน่ารังเกียจขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสไฟฟ้าและทิศทางของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากสนามแม่เหล็ก โมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กคือความแรงและทิศทางของแม่เหล็กที่สร้างสนามแม่เหล็ก ในแผนภาพด้านบน แรงดึงดูดหรือแรงผลักที่เกิดขึ้นจะแสดงการขึ้นต่อกันนี้
คุณสามารถจินตนาการถึงเส้นสนามแม่เหล็กที่กระแสไฟฟ้าเหล่านี้ปล่อยออกมาในขณะที่ม้วนตัวอยู่รอบๆ แต่ละส่วนของวงลวดปัจจุบัน หากทิศทางการวนระหว่างเส้นลวดทั้งสองอยู่ในทิศทางตรงกันข้าม สายไฟจะดึงดูดกัน หากอยู่ห่างจากกันในทิศทางตรงกันข้าม ลูปจะผลักกัน
แม่เหล็กขับไล่และดึงดูดกระแสไฟฟ้า
สมการลอเรนซ์วัดแรงแม่เหล็กระหว่างอนุภาคที่เคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก สมการคือ
F=qE+qv\ครั้ง B
ซึ่งในFคือ แรงแม่เหล็กqคือประจุของอนุภาคที่มีประจุอีคือสนามไฟฟ้าวีคือความเร็วของอนุภาค และบีคือสนามแม่เหล็ก ในสมการ x หมายถึงผลคูณระหว่างqvและบี.
สามารถอธิบายผลคูณด้วยเรขาคณิตและกฎมือขวารุ่นอื่นได้ คราวนี้ คุณใช้กฎมือขวาเป็นกฎในการกำหนดทิศทางของเวกเตอร์ในผลคูณไขว้ หากอนุภาคเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ไม่ขนานกับสนามแม่เหล็ก อนุภาคนั้นจะถูกขับไล่ออกไป
สมการลอเรนซ์แสดงการเชื่อมต่อพื้นฐานระหว่างไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้จะนำไปสู่แนวคิดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่แสดงทั้งส่วนประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของคุณสมบัติทางกายภาพเหล่านี้
ข้ามผลิตภัณฑ์
กฎมือขวาบอกคุณว่าผลคูณระหว่างเวกเตอร์สองตัวและขจะเป็นแนวตั้งฉากกับพวกเขาถ้าคุณชี้นิ้วชี้ขวาของคุณไปในทิศทางของขและนิ้วกลางขวาของคุณไปในทิศทางของ. นิ้วหัวแม่มือของคุณจะชี้ไปในทิศทางของค, เวกเตอร์ที่เกิดจากผลคูณของและข. เวกเตอร์คมีขนาดที่กำหนดโดยพื้นที่ของสี่เหลี่ยมด้านขนานที่เวกเตอร์และขช่วง
•••Syed Hussain Ather A
ผลคูณไขว้ขึ้นอยู่กับมุมระหว่างเวกเตอร์สองตัว เนื่องจากเป็นการกำหนดพื้นที่ของสี่เหลี่ยมด้านขนานที่ขยายระหว่างเวกเตอร์ทั้งสอง ผลคูณของเวกเตอร์สองตัวสามารถกำหนดได้เป็น
a\times b = |a||b|\sin{\theta}
บางมุมθระหว่างเวกเตอร์และขโดยจะชี้ไปในทิศทางที่กำหนดโดยกฎมือขวาระหว่างและข.
แรงแม่เหล็กของเข็มทิศ
ขั้วเหนือสองขั้วผลักกันและขั้วใต้สองขั้วจะผลักกันเช่นเดียวกับประจุไฟฟ้าผลักกันและประจุตรงข้ามดึงดูดกัน เข็มเข็มทิศแม่เหล็กของเข็มทิศเคลื่อนที่ด้วยแรงบิด ซึ่งเป็นแรงหมุนของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ คุณสามารถคำนวณแรงบิดนี้โดยใช้ผลคูณของแรงหมุน แรงบิด ซึ่งเป็นผลมาจากโมเมนต์แม่เหล็กกับสนามแม่เหล็ก
ในกรณีนี้ คุณสามารถใช้ "เอกภาพ"
\tau = m\times B = |m|| B|\sin{\theta}
ที่ไหนมคือโมเมนต์ไดโพลแม่เหล็กบีคือสนามแม่เหล็กและθคือมุมระหว่างเวกเตอร์สองตัวนั้น หากคุณกำหนดว่าแรงแม่เหล็กเกิดจากการหมุนของวัตถุในสนามแม่เหล็กเท่าใด ค่านั้นก็คือแรงบิด คุณสามารถกำหนดโมเมนต์แม่เหล็กหรือแรงของสนามแม่เหล็กได้
เนื่องจากเข็มทิศจะวางตำแหน่งตัวเองกับสนามแม่เหล็กของโลก มันจึงจะชี้ไปทางทิศเหนือเนื่องจากการจัดตำแหน่งตัวเองในลักษณะนี้เป็นสถานะพลังงานที่ต่ำที่สุด นี่คือตำแหน่งที่โมเมนต์แม่เหล็กและสนามแม่เหล็กเรียงชิดกัน และมุมระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กจะเท่ากับ 0 ° เป็นเข็มทิศที่อยู่นิ่งหลังจากที่พิจารณาถึงแรงอื่นๆ ทั้งหมดที่เคลื่อนเข็มทิศไปรอบๆ แล้ว คุณสามารถกำหนดความแรงของการเคลื่อนที่แบบหมุนนี้ได้โดยใช้แรงบิด
การตรวจจับแรงผลักของแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กทำให้สสารแสดงสมบัติทางแม่เหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในองค์ประกอบต่างๆ เช่น โคบอลต์และเหล็ก ซึ่งมีอิเลคตรอนที่ไม่คู่กันซึ่งปล่อยให้ประจุเคลื่อนที่และสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น แม่เหล็กที่จัดอยู่ในประเภทพาราแมกเนติกหรือไดอะแมกเนติกช่วยให้คุณระบุได้ว่าขั้วของแม่เหล็กมีแรงแม่เหล็กดึงดูดหรือน่ารังเกียจ
ไดอะแมกเน็ตมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่หรือไม่กี่ตัว และไม่สามารถปล่อยให้ประจุไหลได้อย่างอิสระเหมือนวัสดุอื่นๆ พวกมันถูกขับไล่ด้วยสนามแม่เหล็ก พาราแมกเนติกมีอิเลคตรอนที่ไม่คู่กันเพื่อให้ประจุไหล ดังนั้นจึงถูกดึงดูดไปยังสนามแม่เหล็ก ในการพิจารณาว่าวัสดุนั้นเป็นไดอะแมกเนติกหรือพาราแมกเนติก ให้พิจารณาว่าอิเล็กตรอนครอบครองออร์บิทัลโดยพิจารณาจากพลังงานของพวกมันอย่างไรเมื่อเทียบกับส่วนที่เหลือของอะตอม
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอิเล็กตรอนต้องครอบครองทุกออร์บิทัลด้วยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวก่อนที่ออร์บิทัลจะมีอิเล็กตรอนสองตัว หากคุณลงเอยด้วยอิเลคตรอนที่ไม่มีคู่ เช่นเดียวกับออกซิเจน O2, วัสดุเป็นพาราแมกเนติก มิฉะนั้นจะเป็นไดแม่เหล็กเช่น N2. คุณสามารถจินตนาการถึงแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่เป็นปฏิสัมพันธ์ของไดโพลแม่เหล็กอันหนึ่งกับอีกอันหนึ่ง
พลังงานศักย์ของไดโพลในสนามแม่เหล็กภายนอกถูกกำหนดโดยผลคูณดอทระหว่างโมเมนต์แม่เหล็กกับสนามแม่เหล็ก พลังงานศักย์นี้คือ
U=-m\cdot B=-|m|| B|\cos{\theta}
สำหรับมุมθระหว่าง ม. และ ข. ผลคูณดอทวัดผลรวมสเกลาร์ที่เกิดจากการคูณองค์ประกอบ x ของเวกเตอร์หนึ่งไปยังองค์ประกอบ x ของอีกองค์ประกอบหนึ่ง ในขณะที่ทำเช่นเดียวกันกับส่วนประกอบ y
ตัวอย่างเช่น หากคุณมีเวกเตอร์a = 2i + 3jและb = 4i + 5j, ดอทโปรดัคที่ได้ของเวกเตอร์สองตัวจะเป็น24 + 35 = 23. เครื่องหมายลบในสมการของพลังงานศักย์บ่งชี้ว่าศักย์ถูกกำหนดให้เป็นค่าลบสำหรับพลังงานศักย์ที่สูงกว่าของแรงแม่เหล็ก