MAGNĒTISKAIS LAUKS: INTENSITĀTE, RAKSTURLIELUMI, AVOTI, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Magnētiskais lauks ir ietekme, kas pārvietojas elektriskie maksa ir uz vietas, kas ieskauj tās. Lādēm vienmēr ir elektriskais lauks, bet magnētiskos efektus var radīt tikai tie, kas atrodas kustībā.

Magnētisma esamība ir zināma jau ilgu laiku. Senie grieķi aprakstīja minerālu, kas spēj piesaistīt mazus dzelzs gabalus: tas bija lodestonis vai magnetīts.

1. attēls. Magnēta paraugs. Avots: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Gudrie Thales of Miletus un Platons bija aizņemti, ierakstot magnētiskos efektus savos rakstos; starp citu, viņi arī zināja statisko elektrību.

Bet magnētisms nebija saistīts ar elektrību līdz 19. gadsimtam, kad Hanss Kristians Oersteds novēroja, ka kompass novirzās no vadošas stieples, kas ved strāvu.

Šodien mēs zinām, ka elektrība un magnētisms, tā sakot, ir vienas monētas divas puses.

Magnētiskais lauks fizikā

Fizikā termins magnētiskais lauks ir vektora lielums ar moduli (tā skaitlisko vērtību), virzienu telpā un nozīmē. Tam ir arī divas nozīmes. Pirmais ir vektors dažreiz sauc magnētiskā indukcija un apzīmē ar B .

B vienība Starptautiskajā vienību sistēmā ir tesla, saīsināts T. Otrs lielums, ko sauc arī par magnētisko lauku, ir H , ko sauc arī par magnētiskā lauka intensitāti un kura vienība ir ampērs / metrs.

Abi lielumi ir proporcionāli, bet tiek definēti šādā veidā, lai ņemtu vērā magnētisko materiālu ietekmi uz laukiem, kas tos šķērso.

Ja materiāls tiek novietots ārējā magnētiskā lauka vidū, iegūtais lauks būs atkarīgs no tā, kā arī no paša materiāla magnētiskās reakcijas. Tāpēc B un H ir saistītas:

B = _μm H

Šeit μ _m ir konstante, kas ir atkarīga no materiāla, un kurai ir piemērotas vienības, lai reizinot ar H , rezultāts būtu tesla.

C

- Magnētiskais lauks ir vektora lielums, tāpēc tam ir lielums, virziens un izjūta.

- Magnētiskā lauka B vienība Starptautiskajā sistēmā ir tesla, saīsināta kā T, bet H ir ampērs / metrs. Citas vienības, kas literatūrā tiek parādītas bieži, ir gauss (G) un izsvītrots.

-Magnētiskā lauka līnijas vienmēr ir slēgtas cilpas, atstājot ziemeļpolu un ieejot dienvidu pole. Lauks vienmēr ir pieskaras līnijām.

- Magnētiskie stabi vienmēr ir izvietoti ziemeļu-dienvidu pārī. Nav iespējams izolēts magnētiskais pols.

-Tas vienmēr rodas no elektrisko lādiņu kustības.

-Tās intensitāte ir proporcionāla slodzes lielumam vai strāvai, kas to rada.

- Magnētiskā lauka lielums samazinās, mainoties attāluma kvadrātam.

-Magnētiskie lauki var būt nemainīgi vai mainīgi gan laikā, gan telpā.

- Magnētiskais lauks spēj radīt magnētisku spēku uz kustīgu lādiņu vai uz stieples, kas izvada strāvu.

Magnēta stabi

Stieņa magnētam vienmēr ir divi magnētiskie stabi: ziemeļu un dienvidu. Ir ļoti viegli pārbaudīt, vai vienas un tās pašas zīmes stabi atgrūž, bet dažāda veida stabi pievelk.

Tas ir diezgan līdzīgs tam, kas notiek ar elektriskajiem lādiņiem. Var arī novērot, ka, jo tuvāk viņi atrodas, jo lielāks spēks viņi pievelk vai atgrūž viens otru.

Bāra magnētiem ir raksturīgs lauka līniju raksts. Tās ir asas līknes, atstājot ziemeļpolu un ieejot dienvidu pole.

2. attēls. Stieņa magnēta magnētiskā lauka līnijas. Avots: Wikimedia Commons.

Vienkāršs eksperiments, lai aplūkotu šīs līnijas, ir izkliedēt dzelzs atgriezumus uz papīra lapas un zem tā novietot stieņa magnētu.

Magnētiskā lauka intensitāte tiek norādīta kā lauka līniju blīvuma funkcija. Tie vienmēr ir blīvāki pie poliem, un tie izkliedējas, kad mēs attālināmies no magnēta.

Magnēts ir pazīstams arī kā magnētiskais dipols, kurā abi stabi precīzi ir ziemeļu un dienvidu magnētiskie stabi.

Bet tos nekad nevar atdalīt. Ja jūs sagriežat magnētu uz pusēm, jūs iegūstat divus magnētus, katrs ar attiecīgajiem ziemeļu un dienvidu poliem. Izolētus polus sauc par magnētiskiem monopoliem, bet līdz šim neviens no tiem nav izolēts.

Avoti

Var runāt par dažādiem magnētiskā lauka avotiem. Tie svārstās no magnētiskiem minerāliem līdz pat Zemei, kas uzvedas kā liels magnēts, līdz elektromagnētiem.

Bet patiesība ir tāda, ka katram magnētiskajam laukam ir lādētu daļiņu kustība.

Vēlāk mēs redzēsim, ka visa magnētisma primārais avots atrodas mazajās strāvās atoma iekšienē, galvenokārt tajās, kuras rodas, pateicoties elektronu kustībai ap kodolu un atoma kvantu efektiem.

Tomēr, runājot par tās makroskopisko izcelsmi, var domāt par dabiskiem avotiem un mākslīgiem avotiem.

Dabiski avoti principā "neizslēdzas", tie ir pastāvīgie magnēti, tomēr jāņem vērā, ka karstums iznīcina vielu magnētismu.

Runājot par mākslīgiem avotiem, magnētisko efektu var apslāpēt un kontrolēt. Tāpēc mums ir:

- Dabiskas izcelsmes magnēti, kas izgatavoti no magnētiskiem minerāliem, piemēram, magnetīta un maghemīta, piemēram, no abiem dzelzs oksīdiem.

-Elektriskās strāvas un elektromagnēti.

Magnētiski minerāli un elektromagnēti

Dabā ir dažādi savienojumi, kuriem piemīt ievērojamas magnētiskās īpašības. Tie spēj piesaistīt, piemēram, dzelzs un niķeļa gabalus, kā arī citus magnētus.

Pieminētie dzelzs oksīdi, piemēram, magnetīts un maghezīts, ir šīs vielu klases piemēri.

Magnētiskā jutība ir parametrs, kuru izmanto, lai kvantitatīvi noteiktu iežu magnētiskās īpašības. Parastie nervu ieži ir tie, kuriem ir vislielākā jutība, pateicoties augstajam magnīta saturam.

No otras puses, kamēr jums ir vads, kas nes strāvu, būs saistīts magnētiskais lauks. Šeit mums ir vēl viens veids, kā ģenerēt lauku, kas šajā gadījumā notiek ar koncentriskiem apļiem ar stiepli.

Lauka kustības virzienu nosaka labais īkšķis. Kad labās rokas īkšķis norāda strāvas virzienā, četri atlikušie pirksti norāda virzienu, kurā lauka līnijas ir saliektas.

3. attēls. Labā īkšķa likums, lai iegūtu magnētiskā lauka virzienu un sajūtu. Avots: Wikimedia Commons.

Elektromagnēts ir ierīce, kas rada magnētismu no elektriskajām strāvām. Tā priekšrocība ir iespēja ieslēgt un izslēgt pēc vēlēšanās. Kad strāva tiek pārtraukta, magnētiskais lauks pazūd. Papildus var kontrolēt arī lauka intensitāti.

Elektromagnēti ir daļa no dažādām ierīcēm, ieskaitot skaļruņus, cietos diskus, motorus un relejus.

Kustīga lādiņa magnētiskais spēks

Magnētiskā lauka B esamību var pārbaudīt ar testētu elektrisko lādiņu, ko sauc par q-, un tas pārvietojas ar ātrumu v . Šajā nolūkā vismaz pagaidām ir izslēgta elektrisko un gravitācijas lauku klātbūtne.

Šādā gadījumā lādiņa q piedzīvotais spēks, kas apzīmēts kā F _B , pilnībā ir saistīts ar lauka ietekmi. Kvalitatīvi tiek novērots:

-The lielums F _B ir proporcionāla q un ātruma v.

-Ja v ir paralēls magnētiskā lauka vektoram, F _B lielums ir nulle.

- magnētiskais spēks ir perpendikulārs gan v, gan B.

-Visbeidzot, magnētiskā spēka lielums ir proporcionāls grēkam θ, kur θ ir leņķis starp ātruma vektoru un magnētiskā lauka vektoru.

Viss iepriekš minētais attiecas gan uz pozitīvajām, gan negatīvajām maksām. Vienīgā atšķirība ir tā, ka magnētiskā spēka virziens tiek mainīts.

Šie novērojumi sakrīt ar vektoru produktu starp diviem vektoriem, tā ka magnētiskais spēks, ko izjūt punktveida lādiņš q, pārvietojoties ar ātrumu v magnētiskā lauka vidū, ir:

F _B = q v x B

Kura modulis ir:

4. attēls. Labās puses likums magnētiskajam spēkam uz pozitīva punkta lādiņu. Avots: Wikimedia Commons.

Kā tiek ģenerēts magnētiskais lauks?

Ir vairāki veidi, piemēram:

-Pieveicot atbilstošas ​​vielas magnetizēšanu.

- elektriskās strāvas nodošana caur vadošu vadu.

Bet magnētisma izcelsme matērijā tiek izskaidrota, atceroties, ka tai jābūt saistītai ar lādiņu kustību.

Elektrons, kas riņķo pa kodolu, būtībā ir niecīga slēgtas strāvas ķēde, bet tāds, kas spēj ievērojami veicināt atoma magnētismu. Magnētiskā materiāla gabalā ir ļoti daudz elektronu.

Šo ieguldījumu atoma magnētikā sauc par orbitālo magnētisko momentu. Bet ir arī vairāk, jo tulkojums nav vienīgā elektrona kustība. Tam ir arī magnētiskais griešanās moments, kvantu efekts, kura analoģija ir tāda, kāda ir elektrona rotācijai uz tās ass.

Faktiski galvenā atoma magnētisma cēlonis ir griešanās magnētiskais moments.

Veidi

Magnētiskais lauks var izpausties dažādos veidos, atkarībā no tā straumju sadalījuma, kas to rada. Savukārt tas var mainīties ne tikai telpā, bet arī laikā, vai abos vienlaikus.

-Elektromagnēta polu tuvumā ir aptuveni nemainīgs lauks.

-Arī solenoīda iekšpusē tiek iegūts augstas intensitātes un vienmērīgs lauks ar lauka līnijām, kas vērstas pa asi.

-Zemes magnētiskais lauks diezgan labi pietuvojas stieņa magnēta laukam, it īpaši virsmas tuvumā. Tālāk saules vējš izmaina elektriskās strāvas un tās ievērojami deformē.

- Vadam, kas ved strāvu, ir lauks koncentrisku apļu formā ar stiepli.

Atkarībā no tā, vai lauks laika gaitā var mainīties, mums ir:

-Statiskie magnētiskie lauki, kad laika gaitā nemainās ne to lielums, ne virziens. Stieņa magnēta lauks ir labs šāda veida lauka piemērs. Arī tie, kuru izcelsme ir no vadiem, kuri pārnēsā stacionāru strāvu.

- Laika gaitā mainīgi lauki, ja laika gaitā kāds no tiem atšķiras. Viens no veidiem, kā tos iegūt, ir no maiņstrāvas ģeneratoriem, kas izmanto magnētiskās indukcijas parādību. Tie ir sastopami daudzās parasti izmantotajās ierīcēs, piemēram, mobilajos tālruņos.

Biota-Savarta likums

Kad ir jāaprēķina magnētiskā lauka forma, ko rada straumju sadalījums, var izmantot Biota-Savarta likumu, kuru 1820. gadā atklāja franču fiziķi Žans Marī Biots (1774. – 1862.) Un Fēlikss Savārts (1791. – 1841. Gads). ).

Dažiem strāvas sadalījumiem ar vienkāršām ģeometrijām magnētiskā lauka vektora matemātisko izteiksmi var iegūt tieši.

Pieņemsim, ka mums ir diferenciāla garuma stieples segments dl, kas nes I elektrisko strāvu. Tiks arī pieņemts, ka vads atrodas vakuumā. Magnētiskais lauks, kas rada šo sadalījumu:

- samazinās ar kvadrāta apgriezto attālumu līdz vadam.

-Tas ir proporcionāls I strāvas intensitātei, kas iet caur vadu.

-Tā virziens ir tangenciāls r rādiusa r apkārtmēram, kas ir centrā uz stieples, un tā virzienu nosaka labā īkšķa likums.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B ir magnētiskā lauka diferenciālis.

- I ir caur vadu plūstošās strāvas intensitāte.

- r ir attālums starp stieples centru un punktu, kurā vēlaties atrast lauku.

-r ir vektors, kas iet no stieples līdz vietai, kur vēlaties aprēķināt lauku.

Piemēri

Zemāk ir divi magnētiskā lauka piemēri un to analītiskās izpausmes.

Magnētisko lauku rada ļoti garš taisns vads

Izmantojot Biota-Savarta likumu, var iegūt lauku, ko rada plāns ierobežota vada vads, kurš nes strāvu I. Integrējot gar vadītāju un ņemot ierobežojošo gadījumu, kurā tas ir ļoti garš, lauka lielumu rezultāts:

Lauks izveidots pēc Helmholtz spoles

Helmholtz spoli veido divas identiskas un koncentriskas apļveida spoles, kurām tiek nodota viena un tā pati strāva. Tie kalpo, lai tajā izveidotu aptuveni vienveidīgu magnētisko lauku.

5. attēls. Helmholtz spoļu shēma. Avots: Wikimedia Commons.

Tās lielums spoles centrā ir:

Y tiek virzīts pa ass asi. Vienādojuma faktori ir:

- N apzīmē spoļu pagriezienu skaitu

- Es esmu strāvas lielums

- μ _o ir vakuuma magnētiskā caurlaidība

- R ir spoļu rādiuss.

Atsauces

1. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. Sējums 1. Kinemātika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
2. Magnētiskā lauka intensitāte H . Atgūts no: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6. saīsināts izdevums. Cengage mācīšanās.
4. Magnētiskais lauks un magnētiskie spēki. Atgūts no: physics.ucf.edu.
5. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons.
6. Servejs, R., Jewett, J. (2008). Fizika zinātnei un inženierijai. Sējums 2. 7. Ed. Cengage mācīšanās.
7. Vigo universitāte. Magnētisma piemēri. Atgūts no: quintans.webs.uvigo.es