ทุ่งนาอยู่รอบตัวเรา ไม่ว่าจะเป็นสนามโน้มถ่วงที่เกิดจากมวลของโลกหรือสนามไฟฟ้าที่เกิดจากอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน มีทุ่งที่มองไม่เห็นอยู่ทุกหนทุกแห่งเป็นตัวแทนของศักยภาพและพลังที่มองไม่เห็นซึ่งสามารถเคลื่อนย้ายวัตถุได้อย่างเหมาะสม ลักษณะเฉพาะ.
ตัวอย่างเช่น สนามไฟฟ้าในพื้นที่หมายความว่าวัตถุที่มีประจุสามารถเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางเดิมเมื่อเข้าสู่พื้นที่ และ สนามโน้มถ่วงอันเนื่องมาจากมวลของโลกทำให้คุณอยู่บนพื้นผิวโลกได้อย่างมั่นคง เว้นแต่คุณจะพยายามเอาชนะมัน อิทธิพล
สนามแม่เหล็กเป็นสาเหตุของแรงแม่เหล็ก และวัตถุที่ออกแรงแม่เหล็กบนวัตถุอื่นทำโดยการสร้างสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กสามารถตรวจจับได้โดยการโก่งตัวของเข็มในเข็มทิศซึ่งอยู่ในแนวเดียวกับเส้นสนาม (ทิศเหนือแม่เหล็กของเข็มชี้ไปทางทิศใต้ของสนามแม่เหล็ก) หากคุณกำลังศึกษาไฟฟ้าและแม่เหล็ก เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กและแรงแม่เหล็กเป็นขั้นตอนสำคัญในการเดินทางของคุณ
สนามแม่เหล็กคืออะไร?
ในทางฟิสิกส์โดยทั่วไป สนามคือเวกเตอร์ที่มีค่าในทุกพื้นที่ของอวกาศ ซึ่งจะบอกคุณว่าเอฟเฟกต์นั้นแรงหรืออ่อนแค่ไหนที่จุดนั้น และทิศทางของเอฟเฟกต์ ตัวอย่างเช่น วัตถุที่มีมวล เช่น ดวงอาทิตย์ สร้างสนามโน้มถ่วง และวัตถุอื่นๆ ที่มีมวลเข้าสู่สนามนั้นจะได้รับผลกระทบจากแรง นี่คือวิธีที่แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ทำให้โลกโคจรรอบมัน
ไกลออกไปในระบบสุริยะ เช่น ที่พิสัยวงโคจรของดาวยูเรนัส จะใช้แรงแบบเดียวกัน แต่ความแรงนั้นต่ำกว่ามาก มันมุ่งตรงไปที่ดวงอาทิตย์เสมอ ถ้าคุณจินตนาการถึงกลุ่มลูกธนูที่ล้อมรอบดวงอาทิตย์ ทั้งหมดจะชี้มาที่มันแต่จะยาวกว่าในระยะใกล้ (แรงที่มากกว่า) และความยาวที่น้อยกว่าในระยะทางไกล (แรงที่อ่อนกว่า) คุณคงนึกภาพสนามโน้มถ่วงในดวงอาทิตย์ไว้แล้ว ระบบ.
ในทำนองเดียวกัน วัตถุที่มีประจุจะสร้างสนามไฟฟ้า และประจุที่เคลื่อนที่ได้ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กซึ่งสามารถทำให้เกิดแรงแม่เหล็กในวัตถุที่มีประจุใกล้เคียงหรือวัสดุแม่เหล็กอื่นๆ
สนามเหล่านี้ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยในแง่ของรูปร่างมากกว่าสนามโน้มถ่วง เนื่องจากมีสนามแม่เหล็กเป็นวง เส้นสนามที่โผล่ออกมาจากขั้วบวก (หรือขั้วเหนือ) และสิ้นสุดที่ขั้วลบ (หรือขั้วใต้) แต่เติมพื้นฐานเดียวกัน บทบาท. มันเหมือนกับเส้นแรงที่บอกคุณว่าวัตถุที่วางอยู่ในตำแหน่งจะมีพฤติกรรมอย่างไร คุณสามารถเห็นภาพได้อย่างชัดเจนโดยใช้ตะไบเหล็ก ซึ่งจะอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็กภายนอก
สนามแม่เหล็กคือเสมอ ทุ่งไดโพลดังนั้นจึงไม่มีโมโนโพลแม่เหล็ก โดยทั่วไป สนามแม่เหล็กจะแสดงด้วยตัวอักษรบีแต่ถ้าสนามแม่เหล็กผ่านวัสดุแม่เหล็ก สิ่งนี้สามารถกลายเป็นโพลาไรซ์และสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองได้ ฟิลด์ที่สองนี้มีส่วนช่วยในฟิลด์แรก และการรวมกันของทั้งสองจะอ้างถึงโดยตัวอักษรโฮที่ไหน
H=\frac{B}{\mu_m}\text{ and }\mu_m=K_m\mu_0
กับ μ0 = 4π × 10−7 H/m (เช่น การซึมผ่านของสนามแม่เหล็กของพื้นที่ว่าง) และ Kม เป็นการซึมผ่านสัมพัทธ์ของวัสดุที่เป็นปัญหา
ปริมาณสนามแม่เหล็กผ่านพื้นที่ที่กำหนดเรียกว่าฟลักซ์แม่เหล็ก ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กสัมพันธ์กับความแรงของสนามภายใน เนื่องจากสนามแม่เหล็กเป็นขั้วคู่เสมอ ฟลักซ์แม่เหล็กสุทธิผ่านพื้นผิวปิดจึงเป็น 0 (เส้นสนามใดๆ ที่ออกจากพื้นผิว จำเป็นต้องป้อนอีกครั้งโดยยกเลิก)
หน่วยและการวัด
หน่วย SI ของความแรงของสนามแม่เหล็กคือเทสลา (T) โดยที่:
1 เทสลา = 1 T = 1 กก./A s2 = 1 V s/m2 = 1 N/A m
อีกหน่วยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับความแรงของสนามแม่เหล็กคือเกาส์ (G) โดยที่:
1 เกาส์ = 1 G = 10−4 ตู่
เทสลาเป็นหน่วยที่ค่อนข้างใหญ่ ดังนั้นในสถานการณ์จริงหลายๆ อย่าง เกาส์จึงเป็นตัวเลือกที่มีประโยชน์มากกว่า ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กติดตู้เย็นจะมีกำลังประมาณ 100 G ในขณะที่สนามแม่เหล็กของโลกบนพื้นผิวโลกคือ ประมาณ 0.5 กรัม
สาเหตุของสนามแม่เหล็ก
ไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความสัมพันธ์กันโดยพื้นฐานแล้วเนื่องจากสนามแม่เหล็กเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุ (เช่น กระแสไฟฟ้า) หรือสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างไฟฟ้า สนาม
ในแท่งแม่เหล็กหรือวัตถุแม่เหล็กที่คล้ายกัน สนามแม่เหล็กเป็นผลมาจาก “โดเมน” แม่เหล็กหลายอัน เรียงตัวกันซึ่งจะเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่มีประจุรอบนิวเคลียสของพวกมัน อะตอม การเคลื่อนไหวเหล่านี้สร้างสนามแม่เหล็กขนาดเล็กภายในโดเมน ในวัสดุส่วนใหญ่ โดเมนจะมีการจัดตำแหน่งแบบสุ่มและยกเลิกซึ่งกันและกัน แต่ในบางส่วน วัสดุ สนามแม่เหล็กในโดเมนข้างเคียงจะเรียงตัวกันและทำให้เกิดขนาดใหญ่ขึ้น แม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กของโลกยังเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุ แต่ในกรณีนี้ มันคือการเคลื่อนที่ของชั้นหลอมเหลวที่อยู่รอบๆ แกนโลกที่สร้างสนามแม่เหล็กขึ้น นี่คือคำอธิบายโดยทฤษฎีไดนาโมซึ่งอธิบายว่าของไหลที่มีประจุไฟฟ้าหมุนอยู่สร้างสนามแม่เหล็กได้อย่างไร แกนชั้นนอกของโลกประกอบด้วยเหล็กเหลวที่เคลื่อนที่ตลอดเวลา โดยมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านของเหลวและสร้างสนามแม่เหล็ก
ดวงอาทิตย์ก็มีสนามแม่เหล็กเช่นกัน และคำอธิบายเกี่ยวกับวิธีการทำงานนี้ก็คล้ายกันมาก อย่างไรก็ตาม ความเร็วการหมุนที่แตกต่างกันของส่วนต่างๆ ของดวงอาทิตย์ (เช่น วัสดุคล้ายของเหลวที่ละติจูดต่างกัน) นำไปสู่เส้นสนาม ยุ่งเหยิงไปตามกาลเวลาและปรากฏการณ์มากมายที่เกี่ยวข้องกับดวงอาทิตย์ เช่น เปลวสุริยะและจุดบนดวงอาทิตย์ และสุริยะประมาณ 11 ปี วงจร ดวงอาทิตย์มีสองขั้ว เช่นเดียวกับแม่เหล็กแท่ง แต่การเคลื่อนที่ของพลาสมาของดวงอาทิตย์และกิจกรรมสุริยะที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นทำให้ขั้วแม่เหล็กพลิกทุก 11 ปี
สูตรสนามแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กเนื่องจากการจัดเรียงตัวของประจุเคลื่อนที่ต่างกันจะต้องได้รับเป็นรายบุคคล แต่มีสูตรมาตรฐานมากมายที่คุณสามารถใช้ได้ เพื่อให้คุณไม่ต้อง "คิดค้นล้อใหม่" ทุกครั้ง เวลา. คุณสามารถหาสูตรสำหรับการจัดเรียงประจุเคลื่อนที่ได้โดยใช้กฎหมาย Biot-Savart หรือกฎหมายของ Ampere-Maxwell อย่างไรก็ตาม สูตรผลลัพธ์สำหรับการจัดเรียงกระแสไฟฟ้าอย่างง่ายมักใช้และยกมาอ้างได้ว่าคุณสามารถ เพียงแค่ถือว่าพวกเขาเป็น "สูตรมาตรฐาน" แทนที่จะได้มาจากกฎหมาย Biot-Savart หรือ Ampere-Maxwell ทุกครั้ง
สนามแม่เหล็กของกระแสเส้นตรงถูกกำหนดจากกฎของแอมแปร์ (รูปแบบที่ง่ายกว่าของกฎแอมแปร์-แมกซ์เวลล์) ดังนี้:
B = \frac{μ_0 I}{2 π r}
ที่ไหนμ0 ตามที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้ผมเป็นกระแสในแอมป์และrคือระยะห่างจากเส้นลวดที่คุณกำลังวัดสนามแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กที่ศูนย์กลางของวงรอบปัจจุบันถูกกำหนดโดย:
B = \frac{μ_0 I}{2 R}
ที่ไหนRคือรัศมีของลูป และสัญลักษณ์อื่นๆ เป็นไปตามที่กำหนดไว้ก่อนหน้านี้
ในที่สุด สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์ถูกกำหนดโดย:
B = μ_0 \frac{N}{L} ฉัน
ที่ไหนนู๋คือจำนวนรอบและหลี่คือ ความยาวของโซลินอยด์ สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์ส่วนใหญ่จะกระจุกตัวอยู่ตรงกลางขดลวด
ตัวอย่างการคำนวณ
การเรียนรู้การใช้สมการเหล่านี้ (และที่คล้ายคลึงกัน) เป็นสิ่งสำคัญที่คุณต้องทำเมื่อคำนวณสนามแม่เหล็ก หรือแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้น ดังนั้นตัวอย่างแต่ละข้อจะช่วยให้คุณจัดการกับปัญหาที่คุณน่าจะเจอได้ พบ.
สำหรับสายตรงยาวที่มีกระแสไฟ 5 แอมแปร์ (เช่น I = 5 A) ความแรงของสนามแม่เหล็กที่อยู่ห่างจากเส้นลวด 0.5 ม. เป็นเท่าไหร่?
การใช้สมการแรกกับ I = 5 A และ r = 0.5 m ให้:
\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{aligned}
สำหรับวงปัจจุบันที่มี I = 10 A และมีรัศมี r = 0.2 m สนามแม่เหล็กที่ศูนย์กลางของวงคืออะไร? สมการที่สองให้:
\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{aligned}
ในที่สุดสำหรับโซลินอยด์ที่มี N = 15 รอบในความยาว L = 0.1 ม. ที่มีกระแส 4 A ความแรงของสนามแม่เหล็กที่อยู่ตรงกลางคืออะไร?
สมการที่สามให้:
\begin{aligned} B &= μ_0\frac{N}{L}I \\ &= 4π × 10^{−7} \text{ H/m} ×\frac{15 \text{ turns}}{0.1 \text{ m}} × 4 \text{ A}\\ &= 7.54 × 10^{-4}\text{ T} \end{aligned}
ตัวอย่างอื่นๆ การคำนวณสนามแม่เหล็กอาจทำงานแตกต่างไปเล็กน้อย เช่น การบอกสนามที่ศูนย์กลางของ a โซลินอยด์และกระแส แต่ขออัตราส่วน N/L – แต่ตราบใดที่คุณคุ้นเคยกับสมการ คุณจะไม่มีปัญหา ตอบพวกเขา