Навколо нас поля. Будь то гравітаційне поле, спричинене масою Землі, або електричні поля, створені зарядженими частинками, такими як електрони, скрізь є невидимі поля, що представляють потенціали та невидимі сили, здатні рухати предмети відповідним чином характеристики.
Наприклад, електричне поле в зоні означає, що заряджений об'єкт може відхилятися від початкового шляху, коли він потрапляє в область, і гравітаційне поле завдяки масі Землі міцно тримає вас на поверхні Землі, якщо ви не зробите певної роботи, щоб подолати її вплив.
Магнітні поля є причиною виникнення магнітних сил, а об’єкти, що діють на інші об’єкти магнітними силами, роблять це, створюючи магнітне поле. Магнітні поля можна виявити, відхиляючи голки компаса, які вирівнюються по польових лініях (магнітна північ голки, спрямована на магнітний південь). Якщо ви вивчаєте електрику та магнетизм, дізнатися більше про магнітні поля та магнітну силу є важливим кроком у вашій подорожі.
Що таке магнітне поле?
У загальній фізиці поля - це вектори зі значеннями в кожній області простору, які вказують на те, наскільки сильним чи слабким є ефект у цій точці, і напрям ефекту. Наприклад, об’єкт з масою, як Сонце, створює гравітаційне поле, а інші об’єкти з масою, що потрапляють у це поле, піддаються дії сили. Ось як гравітаційне тяга Сонця утримує Землю на орбіті навколо неї.
Далі в Сонячній системі, наприклад, в діапазоні орбіти Урана, застосовується та сама сила, але сила набагато нижча. Він завжди спрямований прямо на сонце; якщо ви уявляєте колекцію стріл, що оточують сонце, всі спрямовані до нього, але з більшою довжиною на близькій відстані (сильніша сила) і менша довжина на великих відстанях (слабша сила), ви в основному уявляли гравітаційне поле на Сонячному система.
Так само, як і це, об’єкти із зарядом створюють електричні поля, а рухомі заряди генеруютьмагнітні поля, які можуть спричинити магнітну силу в поруч зарядженому об’єкті або інших магнітних матеріалах.
Ці поля трохи складніші за формою, ніж гравітаційні поля, оскільки вони мають магнітні петлі лінії поля, що виходять з позитивного (або північного полюса) і закінчуються на негативному (або південного полюса), але вони заповнюють однакові основні роль. Вони схожі на силові лінії, які вказують на те, як поводитиметься об’єкт, розміщений у місці. Ви можете чітко уявити це за допомогою залізних стружок, які будуть узгоджуватися із зовнішнім магнітним полем.
Магнітні поля єзавжди дипольні поля, отже, немає магнітних монополів. Як правило, магнітні поля представлені буквоюB, але якщо магнітне поле проходить через магнітний матеріал, воно може поляризуватися і створювати власне магнітне поле. Це друге поле робить внесок у перше поле, і комбінація цих двох посилається на буквуH, де
H = \ frac {B} {\ mu_m} \ text {і} \ mu_m = K_m \ mu_0
з μ0 = 4π × 10−7 H / m (тобто магнітна проникність вільного простору) і Kм відносна проникність матеріалу, про який йде мова.
Величина магнітного поля, що проходить через дану область, називається магнітним потоком. Щільність магнітного потоку пов'язана з напруженістю місцевого поля. Оскільки магнітні поля завжди диполярні, то чистий магнітний потік через замкнуту поверхню дорівнює 0. (Будь-які лінії поля, що виходять з поверхні, обов'язково вводять її знову, анулюючи.)
Одиниці вимірювання
Одиницею напруженості магнітного поля СІ є тесла (Т), де:
1 тесла = 1 Т = 1 кг / А с2 = 1 В с / м2 = 1 Н / Д м
Іншою широко використовуваною одиницею напруженості магнітного поля є Гаус (G), де:
1 гаус = 1 G = 10−4 Т
Тесла - це досить велика одиниця, тому у багатьох практичних ситуаціях гаус є більш корисним вибором - наприклад, а магніт на холодильник матиме силу близько 100 Г, тоді як магнітне поле Землі на поверхні Землі є близько 0,5 Г.
Причини виникнення магнітних полів
Електрика та магнетизм принципово переплітаються, оскільки магнітні поля генеруються рухомим зарядом (як електричні струми) або мінливі електричні поля, тоді як мінливе магнітне поле породжує електричне поле.
У баровому магніті або подібному магнітному об'єкті магнітне поле є результатом декількох магнітних "доменів" стаючи вирівняними, які, в свою чергу, створюються рухом заряджених електронів навколо їх ядер атоми. Ці рухи створюють невеликі магнітні поля в межах домену. У більшості матеріалів домени матимуть випадкове вирівнювання та скасовуватимуть один одного, але в деяких матеріалів, магнітні поля в сусідніх областях вирівнюються, і це створює більший масштаб магнетизм.
Магнітне поле Землі також генерується рухомим зарядом, але в цьому випадку саме рух розплавленого шару, що оточує ядро Землі, створює магнітне поле. Це пояснюєтьсятеорія динамо, що описує, як обертова електрично заряджена рідина генерує магнітне поле. Зовнішнє ядро Землі містить рідке залізо, яке постійно рухається, з електронами, які рухаються крізь рідину і генерують магнітне поле.
Сонце також має магнітне поле, і пояснення того, як це працює, дуже схоже. Однак змінна швидкість обертання різних частин Сонця (тобто рідинного матеріалу в різних широтах) веде до ліній поля заплутатися з часом, а також багато явищ, пов’язаних із сонцем, таких як сонячні спалахи та сонячні плями, і приблизно 11-річна циклу. Сонце має два полюси, подібно до пруткового магніту, але рух сонячної плазми та поступово зростаюча сонячна активність змушують магнітні полюси перевертатися кожні 11 років.
Формули магнітного поля
Магнітні поля, зумовлені різним розташуванням рухомого заряду, повинні отримуватися індивідуально, але є багато стандартних формул, якими ви можете користуватися, щоб у вас не було кожного "винаходити колесо" час. Ви можете отримати формули в основному для будь-якого розташування рухомого заряду, використовуючи закон Біо-Саварта або закон Ампера-Максвелла. Однак отримані формули простих компонувань електричного струму настільки часто використовуються і цитуються, що ви можете просто розглядати їх як "стандартні формули", а не виводити їх із закону Біо-Саварта або Ампера-Максвелла щоразу.
Магнітне поле прямолінійного струму визначається із закону Ампера (простіша форма закону Ампера-Максвелла) як:
B = \ frac {μ_0 I} {2 π r}
Деμ0 як визначено раніше,Я- сила струму в амперах ір- відстань від дроту, яким ви вимірюєте магнітне поле.
Магнітне поле в центрі струмової петлі визначається:
B = \ frac {μ_0 I} {2 R}
ДеР- радіус циклу, а інші символи є такими, як визначено раніше.
Нарешті, магнітне поле соленоїда визначається:
B = μ_0 \ frac {N} {L} I
ДеN- кількість витків іL- довжина соленоїда. Магнітне поле соленоїда значною мірою зосереджене в центрі котушки.
Приклади розрахунків
Навчитися користуватися цими рівняннями (і подібними до них) - головне, що вам доведеться робити під час обчислення магнітного поля або результуючу магнітну силу, тому приклад кожного допоможе вам вирішити проблеми, з якими ви, мабуть, вирішите зустріч.
Для напруженого прямого дроту, що несе 5-амперний струм (тобто I = 5 А), яка напруженість магнітного поля знаходиться на відстані 0,5 м від дроту?
Використання першого рівняння з I = 5 A і r = 0,5 м дає:
\ begin {align} 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 {align}
Тепер для струмової петлі, що несе I = 10 А і радіусом r = 0,2 м, яке магнітне поле знаходиться в центрі петлі? Друге рівняння дає:
\ begin {align} 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 {align}
Нарешті, для соленоїда з N = 15 витків довжиною L = 0,1 м, що несе струм 4 А, яка напруженість магнітного поля в центрі?
Третє рівняння дає:
\ begin {align} B & = μ_0 \ frac {N} {L} I \\ & = 4π × 10 ^ {- 7} \ text {H / m} × \ frac {15 \ text {повороти}} {0,1 \ text {m}} × 4 \ text {A} \\ & = 7,54 × 10 ^ {- 4} \ text {T} \ end {align}
Інші приклади розрахунків магнітного поля можуть працювати трохи інакше - наприклад, повідомляючи вам поле в центрі a соленоїд і струм, але просять співвідношення N / L - але поки ви знайомі з рівняннями, у вас не буде проблем відповідаючи на них.
