MAGNETINIS LAUKAS: INTENSYVUMAS, CHARAKTERISTIKOS, ŠALTINIAI, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2024

Magnetinis laukas yra įtaka, kad judantys elektros mokesčiai turėti erdvę, kuri supa juos. Įkrovikliai visada turi elektrinį lauką, tačiau tik tie, kurie juda, gali generuoti magnetinius efektus.

Apie magnetizmo egzistavimą buvo žinoma ilgą laiką. Senovės graikai aprašė mineralą, galintį pritraukti mažus geležies gabaliukus: tai buvo lodestonas arba magnetizas.

1 pav. Magnetito pavyzdys. Šaltinis: „Wikimedia Commons“. Rojinegro81.

Išminčiai Thalesas Miletas ir Platonas buvo užsiėmę įrašydami magnetinius efektus savo darbuose; beje, jie taip pat žinojo statinę elektrą.

Tačiau magnetizmas nebuvo susijęs su elektra tik XIX amžiuje, kai Hansas Christianas Oerstedas pastebėjo, kad kompasas nukrypo šalia srovę nešiojančios laidžios vielos.

Šiandien mes žinome, kad elektra ir magnetizmas, taip sakant, yra tos pačios monetos dvi pusės.

Magnetinis laukas fizikoje

Fizikoje terminas magnetinis laukas yra vektoriaus dydis, kurio modulis (jo skaitinė vertė), kryptis erdvėje ir prasmė. Tai taip pat turi dvi reikšmes. Pirmasis yra vektorius kartais vadinama magnetinė indukcija ir žymimas B .

B vienetas tarptautinėje vienetų sistemoje yra tesla, sutrumpintai T. Kitas magnito laukas, dar vadinamas magnetiniu lauku, yra H , taip pat žinomas kaip magnetinio lauko intensyvumas ir kurio vienetas yra amperų / metras.

Abu dydžiai yra proporcingi, tačiau jie yra apibrėžti tokiu būdu, kad būtų atsižvelgiama į magnetinių medžiagų poveikį laukams, kurie juos praeina.

Jei medžiaga dedama į išorinio magnetinio lauko vidurį, susidaręs laukas priklausys nuo to, taip pat nuo pačios medžiagos magnetinio atsako. Štai kodėl B ir H yra susijusios:

B = mkm _m H

Čia μ _m yra konstanta, priklauso nuo medžiagos ir turi tinkamus vienetus taip, kad kai padauginus iš H rezultatas Tesla.

C

- Magnetinis laukas yra vektoriaus didumas, todėl jis turi dydį, kryptį ir prasmę.

-Magnetinio lauko B vienetas tarptautinėje sistemoje yra tesla, sutrumpintai T, o H yra amperų / metras. Kiti literatūroje dažnai pasitaikantys vienetai yra gauss (G) ir oersted.

-Magnetinio lauko linijos visada yra uždaros kilpos, paliekant šiaurinį polį ir įeinant į pietų polių. Laukas visada liečia linijas.

-Magnetiniai poliai visada pateikiami iš šiaurės į pietus. Neįmanoma turėti izoliuoto magnetinio poliaus.

- Visada kyla iš elektros krūvių judėjimo.

-Jo intensyvumas yra proporcingas apkrovos dydžiui ar srovei, kuri ją sukuria.

-Magnetinio lauko dydis mažėja keičiant atstumo kvadratą.

-Magnetiniai laukai gali būti pastovūs arba kintami, tiek laike, tiek erdvėje.

- Magnetinis laukas gali sukelti magnetinę jėgą judančiam krūviui arba laidui, kuris neša srovę.

Magnetų poliai

Strypo magnetas visada turi du magnetinius polius: šiaurinį ir pietinį. Labai lengva patikrinti, ar to paties ženklo stulpai atstumia, o skirtingų tipų stulpai traukia.

Tai gana panašu į tai, kas atsitinka su elektros krūviais. Taip pat galima pastebėti, kad kuo arčiau jie, tuo didesnė jėga, su kuria jie traukia ar atstumia vienas kitą.

Juostiniai magnetai turi savitą lauko linijų modelį. Jie yra aštrių kreivių, paliekant šiaurinį ašigalį ir įeinant į pietų ašigalį.

2 pav. Strypo magneto magnetinio lauko linijos. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Paprastas eksperimentas pažvelgti į šias linijas yra paskirstyti geležies drožles ant popieriaus lapo ir padėti juostos magnetą po apačia.

Magnetinio lauko intensyvumas pateikiamas kaip lauko linijų tankio funkcija. Jie visada yra tankiausi prie polių, ir jie plinta tolstant nuo magneto.

Magnetas taip pat žinomas kaip magnetinis dipolis, kuriame du poliai yra tiksliai šiaurės ir pietų magnetiniai poliai.

Bet jų niekada negalima atskirti. Jei perpjaunate magnetą per pusę, gausite du magnetus, kurių kiekvienas turi atitinkamus šiaurės ir pietų polius. Izoliuoti poliai vadinami magnetiniais monopoliais, tačiau iki šiol nė vienas jų nebuvo izoliuotas.

Šaltiniai

Galima kalbėti apie įvairius magnetinio lauko šaltinius. Jie svyruoja nuo magnetinių mineralų, per pačią Žemę, kuri elgiasi kaip didelis magnetas, iki elektromagnetų.

Bet tiesa yra ta, kad kiekvienas magnetinis laukas yra kilęs iš įkrautų dalelių judėjimo.

Vėliau pamatysime, kad pagrindinis magnetizmo šaltinis yra mažytėse srovėse, esančiose atomo viduje, daugiausia tose, kurios susidaro dėl elektronų judėjimo aplink branduolį ir dėl atomyje esančių kvantinių efektų.

Tačiau kalbant apie jos makroskopinę kilmę, galima galvoti apie natūralius ir dirbtinius šaltinius.

Natūralūs šaltiniai iš esmės „neišsijungia“, jie yra nuolatiniai magnetai, tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad šiluma sunaikina medžiagų magnetizmą.

Kalbant apie dirbtinius šaltinius, magnetinį efektą galima slopinti ir valdyti. Todėl mes turime:

- Natūralios kilmės magnetai, pagaminti iš magnetinių mineralų, tokių kaip magnetitas ir maghemitas, pavyzdžiui, abu geležies oksidai.

-Elektrinės srovės ir elektromagnetai.

Magnetiniai mineralai ir elektromagnetai

Gamtoje yra įvairių junginių, pasižyminčių nepaprastomis magnetinėmis savybėmis. Jie sugeba pritraukti, pavyzdžiui, geležies ir nikelio gabaliukus, taip pat kitus magnetus.

Minėti geležies oksidai, tokie kaip magnetitas ir maghemitas, yra šios klasės medžiagų pavyzdžiai.

Magnetinis jautrumas yra parametras, naudojamas uolienų magnetinėms savybėms įvertinti. Pagrindinės dulkių uolienos yra tos, kurios yra jautrios dėl didelio magnetito kiekio.

Kita vertus, tol, kol turėsite laidą, nešantį srovę, bus susijęs magnetinis laukas. Čia turime dar vieną būdą, kaip sugeneruoti lauką, kuris šiuo atveju būna koncentrinių apskritimų su viela pavidalu.

Lauko judėjimo kryptį nurodo dešiniojo nykščio taisyklė. Kai dešinės rankos nykštis nukreiptas į srovės kryptį, likę keturi pirštai nurodo kryptį, kuria lauko linijos yra sulenktos.

3 pav. Dešiniojo nykščio taisyklė, norint gauti magnetinio lauko kryptį ir pojūtį. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Elektromagnetas yra prietaisas, sukuriantis magnetizmą iš elektros srovių. Jis turi pranašumą, kad gali įjungti ir išjungti norėdamas. Kai srovė nutrūksta, magnetinis laukas išnyksta. Be to, lauko intensyvumą taip pat galima valdyti.

Elektromagnetai yra įvairių prietaisų dalis, įskaitant garsiakalbius, standžius diskus, variklius ir reles.

Judančio krūvio magnetinė jėga

Magnetinio lauko B buvimą galima patikrinti atliekant bandomąjį elektrinį krūvį, vadinamą q-, kuris juda greičiu v . Šiuo tikslu bent jau kol kas negalima naudoti elektrinių ir gravitacinių laukų.

Tokiu atveju jėga, kurią patiria krūvis q, žymima F _B , yra visiškai dėl lauko įtakos. Kokybiškai stebima:

-Iš dydis F _B yra proporcingas q ir greičio v.

-Jei v yra lygiagreti magnetinio lauko vektoriui, F _B dydis yra lygus nuliui.

- Magnetinė jėga yra statmena tiek v, tiek B.

- Galiausiai magnetinės jėgos dydis yra proporcingas nuodėmei θ, kur θ yra kampas tarp greičio vektoriaus ir magnetinio lauko vektoriaus.

Visa tai, kas pasakyta, galioja tiek teigiamiems, tiek neigiamiems mokesčiams. Skirtumas tik tas, kad magnetinės jėgos kryptis yra atvirkštinė.

Šie stebėjimai sutinka su vektoriaus sandauga tarp dviejų vektorių taip, kad magnetinė jėga, kurią patiria taškinis krūvis q, judama greičiu v magnetinio lauko viduryje, yra:

F _B = q v x B

Kieno modulis yra:

4 pav. Magnetinės jėgos, veikiančios teigiamą tašką, dešinės pusės taisyklė. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kaip sukuriamas magnetinis laukas?

Yra keli būdai, pavyzdžiui:

-Magnetizuodami tinkamą medžiagą.

- elektros srovės praleidimas per laidžią laidą.

Bet magnetizmo kilmė materijoje paaiškinama prisimenant, kad jis turi būti susijęs su krūvių judėjimu.

Branduolį skriejantis elektronas iš esmės yra maža uždaros srovės grandinė, tačiau galinti iš esmės prisidėti prie atomo magnetizmo. Magnetinės medžiagos gabalėlyje yra labai daug elektronų.

Šis indėlis į atomo magnetizmą vadinamas orbitiniu magnetiniu momentu. Bet yra ir daugiau, nes vertimas nėra vienintelis elektrono judėjimas. Jis taip pat turi magnetinio sukimosi momentą, kvantinį efektą, kurio analogija yra elektrono sukimasis ant jo ašies.

Tiesą sakant, magnetinis sukimosi momentas yra pagrindinė atomo magnetizmo priežastis.

Tipai

Magnetinis laukas gali būti įvairių formų, atsižvelgiant į jį sukeliančių srovių pasiskirstymą. Savo ruožtu, ji gali skirtis ne tik erdvėje, bet ir laike, arba abu tuo pačiu metu.

- Netoli elektromagnetų polių yra maždaug pastovus laukas.

-Taip pat solenoido viduje gaunamas didelio intensyvumo ir vienodas laukas, lauko lauko linijoms nukreipiant išilgai ašies.

- Žemės magnetinis laukas gana gerai atitinka strypo magneto lauką, ypač šalia paviršiaus. Toliau saulės vėjas keičia elektros sroves ir pastebimai jas deformuoja.

- Srovę einantis laidas turi lauką koncentrinių apskritimų pavidalu su viela.

Nepaisant to, ar laikas bėgant gali kisti, turime:

-Statiniai magnetiniai laukai, kai bėgant laikui nesikeičia nei jų dydis, nei kryptis. Geras tokio tipo lauko pavyzdys yra juostos magneto laukas. Taip pat tie, kurie kilę iš laidų, vedančių nejudančias sroves.

- Laikui bėgant keičiami laukai, jei laikui bėgant bet kuri jų charakteristika skiriasi. Vienas iš būdų juos gauti yra iš kintamos srovės generatorių, kurie naudojasi magnetinės indukcijos reiškiniu. Jie randami daugelyje dažniausiai naudojamų prietaisų, pavyzdžiui, mobiliuosiuose telefonuose.

Bioto-Savarto dėsnis

Kai reikia apskaičiuoti srovių pasiskirstymo sukuriamo magnetinio lauko formą, galima remtis Biot-Savart įstatymu, kurį 1820 m. Atrado prancūzų fizikai Jean Marie Biot (1774-1862) ir Felix Savart (1791-1841). ).

Kai kurių srovės pasiskirstymų paprastomis geometrijomis metu galima tiesiogiai gauti matematinę magnetinio lauko vektoriaus išraišką.

Tarkime, kad turime diferencialo ilgio dl vielos segmentą, kuris neša I elektros srovę. Taip pat bus manoma, kad viela yra vakuume. Magnetinis laukas, sukuriantis šį pasiskirstymą:

-Sumažėja, kai atstumas iki vielos yra atvirkštinis.

- Tai proporcinga srovės I, einančio per laidą, intensyvumui.

-Jos kryptis yra tangentiška spindulio r apskritimui, nukreiptam į vielą, ir jo kryptis nustatoma pagal dešiniojo nykščio taisyklę.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B yra magnetinio lauko diferencialas.

- I yra per laidą tekančios srovės stipris.

- r yra atstumas tarp vielos centro ir taško, kuriame norite rasti lauką.

-r yra vektorius, einantis nuo vielos iki taško, kuriame norite apskaičiuoti lauką.

Pavyzdžiai

Žemiau yra du magnetinio lauko pavyzdžiai ir jų analizinės išraiškos.

Magnetinis laukas sukuriamas išilgai tiesios vielos

Remiantis Biot-Savart įstatymu, gali būti gaunamas plonos baigtinio laidininko laido, kuriuo perduodama srovė, laukas. Integruojant išilgai laidininko ir paimant ribinį atvejį, kuriame jis yra labai ilgas, lauko dydį. rezultatas:

Helmholtz ritės sukurtas laukas

Helmholtz ritė yra sudaryta iš dviejų vienodų ir koncentrinių žiedinių ritių, į kurias perduodama ta pati srovė. Jie naudojami sukurti maždaug vienodą magnetinį lauką jame.

5 pav. Helmholtz ritinių schema. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Jos dydis ritės centre yra:

Y nukreipta išilgai ašies. Lygties veiksniai yra šie:

- N žymi ritės apsisukimų skaičių

- Aš esu srovės dydis

- μ _o yra vakuumo magnetinis pralaidumas

- R yra ritės spindulys.

Nuorodos

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 1 tomas. Kinematika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetinio lauko stipris H . Atkurta iš: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6-as sutrumpintas leidimas. „Cengage“ mokymasis.
4. Magnetinis laukas ir magnetinės jėgos. Atkurta iš: fizika.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika mokslui ir inžinerijai. 2 tomas. 7-asis. Ed. Cengago mokymasis.
7. Vigo universitetas. Magnetikos pavyzdžiai. Atkurta iš: quintans.webs.uvigo.es