Tarlalar etrafımızda. İster Dünya'nın kütlesinin neden olduğu yerçekimi alanı, isterse elektronlar gibi yüklü parçacıkların oluşturduğu elektrik alanları olsun, her yerde, nesneleri uygun şekilde hareket ettirebilen potansiyelleri ve görünmeyen güçleri temsil eden görünmez alanlar vardır. özellikler.
Örneğin, bir alandaki bir elektrik alanı, yüklü bir nesnenin bölgeye girdiğinde orijinal yolundan sapabileceği anlamına gelir ve Dünya'nın kütlesinden kaynaklanan yerçekimi alanı, siz onun üstesinden gelmek için herhangi bir iş yapmadığınız sürece, sizi Dünya'nın yüzeyinde sıkıca tutar. etkilemek.
Manyetik alanlar, manyetik kuvvetlerin nedenidir ve diğer nesnelere manyetik kuvvet uygulayan nesneler, bir manyetik alan oluşturarak bunu yaparlar. Manyetik alanlar, alan çizgileri (iğnenin manyetik kuzeyi manyetik güneyi gösterir) ile aynı hizada olan pusula iğnelerinin sapması ile tespit edilebilir. Elektrik ve manyetizma okuyorsanız, manyetik alanlar ve manyetik kuvvet hakkında daha fazla şey öğrenmek, yolculuğunuzda çok önemli bir adımdır.
Manyetik Alan Nedir?
Genel olarak fizikte alanlar, uzayın her bölgesinde bir etkinin o noktada ne kadar güçlü veya zayıf olduğunu ve etkinin yönünü söyleyen değerlere sahip vektörlerdir. Örneğin, güneş gibi kütlesi olan bir nesne bir yerçekimi alanı oluşturur ve bu alana kütlesi olan diğer nesneler bir kuvvetten etkilenir. Güneşin yerçekimi kuvvetinin Dünya'yı yörüngesinde tutması budur.
Uranüs'ün yörüngesinin menzili gibi güneş sisteminde daha uzaklarda, aynı kuvvet geçerlidir, ancak güç çok daha düşüktür. Her zaman doğrudan güneşe yönlendirilir; Güneşi çevreleyen, hepsi ona doğru bakan, ancak yakın mesafelerde daha uzun uzunluklara sahip bir ok koleksiyonu hayal ederseniz. (daha güçlü kuvvet) ve uzun mesafelerde daha küçük uzunluklar (daha zayıf kuvvet), temel olarak güneşteki yerçekimi alanını hayal ettiniz. sistem.
Aynı şekilde, yüklü nesneler elektrik alanları oluşturur ve hareketli yükler elektrik alanları oluşturur.manyetik alanlaryakındaki yüklü bir nesnede veya diğer manyetik malzemelerde manyetik bir kuvvete yol açabilen .
Bu alanlar, döngüsel manyetik özelliklere sahip olduklarından, yerçekimi alanlarından şekil açısından biraz daha karmaşıktır. pozitiften (veya kuzey kutbundan) çıkan ve negatifte (veya güney kutbunda) biten alan çizgileri, ancak aynı temel alanı doldururlar. rol. Bir konuma yerleştirilen bir nesnenin nasıl davranacağını size söyleyen kuvvet çizgileri gibidirler. Bunu, dış manyetik alanla hizalanacak olan demir talaşları kullanarak net bir şekilde görselleştirebilirsiniz.
Manyetik alanlarher zaman dipol alanları, yani manyetik monopoller yoktur. Genel olarak, manyetik alanlar harfle gösterilir.B, ancak bir manyetik alan bir manyetik malzemeden geçerse, bu polarize hale gelebilir ve kendi manyetik alanını oluşturabilir. Bu ikinci alan birinci alana katkıda bulunur ve ikisinin birleşimine harfle atıfta bulunulur.H, nerede
H=\frac{B}{\mu_m}\text{ ve }\mu_m=K_m\mu_0
μ ile0 = 4π × 10−7 H/m (yani, boş alanın manyetik geçirgenliği) ve Km söz konusu malzemenin göreceli geçirgenliğidir.
Belirli bir alandan geçen manyetik alan miktarına manyetik akı denir. Manyetik akı yoğunluğu, yerel alan kuvveti ile ilgilidir. Manyetik alanlar her zaman çift kutuplu olduğundan, kapalı bir yüzeyden geçen net manyetik akı 0'dır. (Yüzeyden çıkan herhangi bir alan çizgisi, mutlaka tekrar girerek iptal eder.)
Birimler ve Ölçüm
Manyetik alan kuvvetinin SI birimi tesla'dır (T), burada:
1 tesla = 1 T = 1 kg/A s2 = 1 V s/m2 = 1 Yok
Manyetik alan kuvveti için yaygın olarak kullanılan diğer bir birim gauss'tur (G), burada:
1 gauss = 1G = 10−4 T
Tesla oldukça büyük bir birimdir, bu nedenle birçok pratik durumda gauss daha kullanışlı bir seçimdir - örneğin, bir buzdolabı mıknatısı yaklaşık 100 G'lik bir güce sahip olacak, Dünya'nın Dünya yüzeyindeki manyetik alanı ise yaklaşık 0,5 G.
Manyetik Alanların Nedenleri
Elektrik ve manyetizma temelde iç içedir çünkü manyetik alanlar hareketli yük tarafından üretilir. (elektrik akımları gibi) veya değişen elektrik alanları, değişen bir manyetik alan bir elektrik üretir. alan.
Bir çubuk mıknatıs veya benzeri bir manyetik nesnede, manyetik alan birkaç manyetik “alandan” kaynaklanır. sırayla, yüklü elektronların çekirdeklerinin etrafındaki hareketiyle yaratılan hizalanma atomlar. Bu hareketler, bir etki alanı içinde küçük manyetik alanlar üretir. Çoğu malzemede, alanlar rastgele hizalanır ve birbirlerini iptal eder, ancak bazılarında malzemeler, komşu alanlardaki manyetik alanlar hizalanır ve bu daha büyük ölçekli üretir manyetizma.
Dünyanın manyetik alanı da hareketli yük tarafından oluşturulur, ancak bu durumda manyetik alanı oluşturan, Dünya'nın çekirdeğini çevreleyen erimiş tabakanın hareketidir. Bu şu şekilde açıklanır:dinamo teorisiBu, dönen, elektrik yüklü bir sıvının nasıl bir manyetik alan oluşturduğunu açıklar. Dünyanın dış çekirdeği, sıvı içinde hareket eden ve manyetik alanı oluşturan elektronlarla sürekli hareket eden sıvı demir içerir.
Güneşin de bir manyetik alanı vardır ve bunun nasıl çalıştığının açıklaması çok benzerdir. Bununla birlikte, güneşin farklı bölümlerinin (yani, farklı enlemlerdeki sıvı benzeri malzemenin) değişen dönüş hızları, alan çizgilerine yol açar. Güneş patlamaları ve güneş lekeleri gibi güneşle ilgili birçok fenomenin yanı sıra zamanla karışık hale gelmek ve yaklaşık 11 yıllık güneş döngü. Güneşin tıpkı bir çubuk mıknatıs gibi iki kutbu vardır, ancak güneşin plazmasının hareketleri ve giderek artan güneş aktivitesi, manyetik kutupların her 11 yılda bir değişmesine neden olur.
Manyetik Alan Formülleri
Farklı hareketli yük düzenlemelerinden kaynaklanan manyetik alanlar ayrı ayrı türetilmelidir, ancak her seferinde “tekerleği yeniden icat etmemek” için kullanabileceğiniz birçok standart formül vardır. zaman. Biot-Savart yasasını veya Ampere-Maxwell yasasını kullanarak temel olarak herhangi bir hareketli yük düzenlemesi için formüller türetebilirsiniz. Bununla birlikte, basit elektrik akımı düzenlemeleri için elde edilen formüller o kadar yaygın olarak kullanılır ve alıntılanır ki, onları her seferinde Biot-Savart veya Ampere-Maxwell yasalarından türetmek yerine, basitçe "standart formüller" olarak ele alın.
Doğrusal bir akımın manyetik alanı Ampere yasasından (Amper-Maxwell yasasının daha basit bir biçimi) şu şekilde belirlenir:
B = \frac{μ_0 I}{2 π r}
Neredeμ0 daha önce tanımlandığı gibidir,benamper cinsinden akımdır vermanyetik alanı ölçtüğünüz telden olan mesafedir.
Bir akım döngüsünün merkezindeki manyetik alan şu şekilde verilir:
B = \frac{μ_0 I}{2 R}
Nerede$döngünün yarıçapıdır ve diğer semboller daha önce tanımlandığı gibidir.
Son olarak, bir solenoidin manyetik alanı şu şekilde verilir:
B = μ_0 \frac{N}{L} I
NeredeNdönüş sayısıdır veLsolenoidin uzunluğudur. Bir solenoidin manyetik alanı büyük ölçüde bobinin merkezinde yoğunlaşmıştır.
Örnek Hesaplamalar
Bu denklemleri (ve benzerlerini) kullanmayı öğrenmek, bir manyetik alanı hesaplarken yapmanız gereken en önemli şeydir. veya sonuçta ortaya çıkan manyetik kuvvet, bu nedenle her birinin bir örneği, muhtemelen karşılaşacağınız türden sorunları çözmenize yardımcı olacaktır. karşılaşma.
5 amperlik bir akım taşıyan uzun düz bir tel için (yani, I = 5 A), telden 0,5 m uzaktaki manyetik alan şiddeti nedir?
I = 5 A ve r = 0,5 m ile ilk denklemin kullanılması şunları verir:
\begin{hizalanmış} 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{hizalı}
Şimdi, I = 10 A taşıyan ve yarıçapı r = 0,2 m olan bir akım döngüsü için, döngünün merkezindeki manyetik alan nedir? İkinci denklem şunları verir:
\begin{hizalanmış} 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{hizalı}
Son olarak, L = 0.1 m uzunluğunda, 4 A akım taşıyan N = 15 dönüşlü bir solenoid için merkezdeki manyetik alan şiddeti nedir?
Üçüncü denklem şunları verir:
\begin{hizalanmış} B &= μ_0\frac{N}{L}I \\ &= 4π × 10^{−7} \text{ H/m} ×\frac{15 \text{ dönüşler}}{0.1 \text{ m}} × 4 \text{ A}\\ &= 7,54 × 10^{−4}\text{ T} \end{hizalı}
Diğer örnek manyetik alan hesaplamaları biraz farklı çalışabilir - örneğin, size bir cismin merkezindeki alanı söylemek. solenoid ve akım, ancak N/L oranını soruyor - ancak denklemlere aşina olduğunuz sürece sorun yaşamayacaksınız onlara cevap vermek.