MAGNETNO POLJE: INTENZIVNOST, ZNAČILNOSTI, VIRI, PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Magnetno polje je vpliv, ki ga imajo gibljejo električni stroški v prostor, ki jih obdaja. Polnilci imajo vedno električno polje, vendar le tisti, ki so v gibanju, lahko ustvarijo magnetne učinke.

Obstoj magnetizma je znan že dolgo. Stari Grki so opisovali mineral, ki je sposoben pritegniti majhne koščke železa: bil je lodestone ali magnetit.

Slika 1. Vzorec magnetita. Vir: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Modreca Thales iz Mileta in Platona sta bila zasedena v snemanju magnetnih učinkov; mimogrede, poznali so tudi statično elektriko.

A magnetizem ni postal povezan z elektriko šele v 19. stoletju, ko je Hans Christian Oersted opazil, da kompas odstopa v bližini prevodne žice, ki nosi tok.

Danes vemo, da sta elektrika in magnetizem, tako rekoč dve strani istega kovanca.

Magnetno polje v fiziki

V fiziki je izraz magnetno polje vektorska količina z modulom (njegova številčna vrednost), smerjo v prostoru in pomenu. Ima tudi dva pomena. Prvi je vektor včasih imenujemo magnetno indukcijo in je označena z B .

Enota B v mednarodnem sistemu enot je tesla, okrajšana T. Druga količina, imenovana tudi magnetno polje, je H , znana tudi kot jakost magnetnega polja in katere enota je amper / meter.

Obe količini sta sorazmerni, vendar sta določeni na ta način, da upoštevamo učinke, ki jih imajo magnetni materiali na polja, ki prehajajo skozi njih.

Če je material nameščen sredi zunanjega magnetnega polja, bo nastalo polje odvisno od tega in tudi od njegovega magnetnega odziva. Zato sta B in H povezana z:

B = μ _m H

Tu je μ _m konstanta, ki je odvisna od materiala in ima primerne enote, tako da je pri množenju s H rezultat tesla.

C

-Magnetno polje je vektorska veličina, zato ima magnitudo, smer in smisel.

-Enota magnetnega polja B v mednarodnem sistemu je tesla, okrajšano kot T, medtem ko je H amper / meter. Druge enote, ki se pogosto pojavljajo v literaturi, so gase (G) in oersted.

-Magnetna polja so vedno zaprte zanke, puščajo severni pol in vstopajo v južni pol. Polje je vedno tangentno glede na črte.

-Magnetni poli so vedno predstavljeni v paru sever-jug. Izoliranega magnetnega pola ni mogoče.

- Vedno izvira iz gibanja električnih nabojev.

- Njegova intenzivnost je sorazmerna z velikostjo bremena ali tokom, ki ga proizvaja.

-Veličnost magnetnega polja se zmanjšuje s inverznim kvadratom razdalje.

-Magnetna polja so lahko konstantna ali spremenljiva, tako v času kot v prostoru.

- Magnetno polje je sposobno izvajati magnetno silo na gibljivem naboju ali na žici, ki nosi tok.

Drogovi magneta

Barski magnet ima vedno dva magnetna pola: severni in južni pol. Zelo enostavno je preveriti, ali se drogovi istega znaka odbijajo, medtem ko polji različnih vrst privlačijo.

To je precej podobno kot pri električnih nabojih. Prav tako lahko opazimo, da kolikor bližje sta, večja je sila, s katero se drug drugemu privabljata ali odbijata.

Barski magneti imajo značilen vzorec poljskih črt. So ostre krivine, ki zapustijo severni pol in vstopijo v južni pol.

Slika 2. Črte magnetnega polja droga. Vir: Wikimedia Commons.

Preprost poskus, da pogledate te vrstice, je širjenje železnih oblog na list papirja in pod njim položite drog.

Intenzivnost magnetnega polja je podana kot funkcija gostote poljskih črt. Ti so v bližini polov vedno najgostejši in se širijo, ko se oddaljujemo od magneta.

Magnet je znan tudi kot magnetni dipol, v katerem sta dva pola natančno severni in južni magnetni pol.

Ampak nikoli se ne morejo ločiti. Če magnet prerežete na pol, dobite dva magneta, vsak s svojim severnim in južnim polom. Izolirani drogovi se imenujejo magnetni monopoli, vendar do danes še niso bili izolirani nobeni.

Viri

Govorimo lahko o različnih virih magnetnega polja. Segajo od magnetnih mineralov, preko same Zemlje, ki se obnaša kot velik magnet, do elektromagnetov.

Toda resnica je, da ima vsako magnetno polje svoj izvor v gibanju nabitih delcev.

Kasneje bomo videli, da prvotni vir vsega magnetizma prebiva v drobnih tokovih znotraj atoma, predvsem tistih, ki nastanejo zaradi gibanja elektronov okoli jedra in kvantnih učinkov, prisotnih v atomu.

Glede svojega makroskopskega izvora pa je mogoče pomisliti na naravne in umetne vire.

Naravni viri se načeloma ne "izklopijo", so trajni magneti, vendar je treba upoštevati, da toplota uničuje magnetizem snovi.

Kar zadeva umetne vire, je mogoče magnetni učinek zatreti in nadzorovati. Zato imamo:

-Magneti naravnega izvora, narejeni iz magnetnih mineralov, kot sta magnetit in maghemit, oba železova oksida, na primer.

-Električni tokovi in ​​elektromagneti.

Magnetni minerali in elektromagneti

V naravi obstajajo različne spojine, ki kažejo izjemne magnetne lastnosti. Sposobni so pritegniti na primer kovine železa in niklja, pa tudi druge magnete.

Omenjeni železov oksid, kot sta magnetit in maghemit, sta primera tega razreda snovi.

Magnetna občutljivost je parameter, ki se uporablja za količinsko določitev magnetnih lastnosti kamnin. Osnovne magnetne kamnine so tiste z največjo občutljivostjo zaradi visoke vsebnosti magnetita.

Na drugi strani, dokler imate žico, ki nosi tok, bo nastalo povezano magnetno polje. Tu imamo še en način generiranja polja, ki ima v tem primeru obliko koncentričnih krogov z žico.

Smer gibanja polja je podana s pravilom desnega palca. Ko palec desne roke kaže v smeri toka, bodo štirje preostali prsti kazali smer, v katero so upognjene črte polja.

Slika 3. Pravilo palca desno, da dobite smer in občutek magnetnega polja. Vir: Wikimedia Commons.

Elektromagnet je naprava, ki proizvaja magnetizem iz električnih tokov. Prednost ima v tem, da se lahko vklopi in izklopi po želji. Ko tok preneha, magnetno polje izgine. Poleg tega je mogoče nadzirati tudi intenzivnost polja.

Elektromagneti so del različnih naprav, med drugim zvočniki, trdi diski, motorji in releji.

Magnetna sila na premični naboj

Obstoj magnetnega polja B je mogoče preveriti s preskusnim električnim nabojem, imenovanim q-, ki se premika s hitrostjo v . Zaradi tega je vsaj zaenkrat izključena prisotnost električnih in gravitacijskih polj.

V takšnem primeru je sila, ki jo doživlja naboj q, ki je označena kot F _B , v celoti posledica vpliva polja. Kvalitativno je ugotovljeno naslednje:

-Veličina F _B je sorazmerna z q in hitrostjo v.

-Če je v vzporeden z vektorjem magnetnega polja, je jakost F _B enaka nič.

-Magnetna sila je pravokotna na v in B.

-Na koncu je velikost magnetne sile sorazmerna s sin θ, kjer je θ kot med vektorjem hitrosti in vektorjem magnetnega polja.

Vse zgoraj velja tako za pozitivne kot za negativne stroške. Edina razlika je v tem, da je smer magnetne sile obrnjena.

Ta opažanja strinjata z vektorski produkt dveh vektorjev, tako da je magnetna sila, ki jih imajo Q točke polnjenja in se premika s hitrostjo proti V sredini je magnetno polje:

F _B = q v x B

Čigav modul je:

Slika 4. Pravilo desno za magnetno silo na pozitivnem točkovnem naboju. Vir: Wikimedia Commons.

Kako nastane magnetno polje?

Na primer obstaja več načinov:

-Z magnetiziranjem ustrezne snovi.

- Prevajanje električnega toka skozi prevodno žico.

Toda izvor magnetizma v materiji je razložen tako, da se spomnimo, da mora biti povezan z gibanjem nabojev.

Elektroni, ki krožijo skozi jedro, so v bistvu majhen zaprti tokovni tokokrog, vendar tisti, ki lahko bistveno prispeva k magnetizmu atoma. V kosu magnetnega materiala je zelo veliko elektronov.

Ta prispevek k magnetizmu atoma se imenuje orbitalni magnetni trenutek. A obstaja še več, saj prevod ni edino gibanje elektrona. Ima tudi magnetni vrtilni moment, kvantni učinek, katerega analogija je vrtenje elektrona na njegovi osi.

V bistvu je magnetni trenutek spina glavni vzrok magnetizma atoma.

Vrste

Magnetno polje je sposobno sprejeti številne oblike, odvisno od porazdelitve tokov, ki izvirajo iz njega. Po drugi strani pa se lahko razlikuje ne le v prostoru, ampak tudi v času ali oboje hkrati.

-V bližini polov elektromagneta je približno konstantno polje.

-Takoj znotraj solenoida dobimo visoko intenzivnost in enakomerno polje, pri čemer so polja polja usmerjena vzdolž osne osi.

-Magnetno polje Zemlje se precej približa poljubnemu magnetu, zlasti v bližini površine. Poleg tega sončni veter spreminja električne tokove in ga opazno deformira.

-Žička, ki nosi tok, ima polje v obliki koncentričnih krogov z žico.

Glede tega, ali se polje lahko spreminja sčasoma ali ne, imamo:

-Statična magnetna polja, ko se niti njihova velikost niti smer sčasoma ne spreminjata. Polje magnetne palice je dober primer tega tipa polja. Tudi tiste, ki izvirajo iz žic, ki prenašajo stacionarni tok.

-Spremenljiva polja sčasoma, če se katera koli njihova značilnost sčasoma spreminja. Eden od načinov za njihovo pridobivanje je iz generatorjev z izmeničnim tokom, ki uporabljajo fenomen magnetne indukcije. Najdemo jih v mnogih pogosto uporabljanih napravah, na primer v mobilnih telefonih.

Biot-Savart-ov zakon

Kadar je potrebno izračunati obliko magnetnega polja, ki ga ustvarja porazdelitev tokov, lahko uporabimo zakon Biot-Savart, ki sta ga leta 1820 odkrila francoska fizika Jean Marie Biot (1774-1862) in Felix Savart (1791-1841). ).

Pri nekaterih porazdelitvah tokov s preprostimi geometrijami lahko dobimo neposredno matematični izraz za vektor magnetnega polja.

Recimo, da imamo žični segment diferenčne dolžine dl, ki nosi električni tok I. Domneva se, da bo žica tudi v vakuumu. Magnetno polje, ki proizvaja to porazdelitev:

-Zmanjša se z inverzijo kvadrata razdalje do žice.

- Sorazmerna je z intenziteto toka I, ki poteka skozi žico.

-Svoja smer je tangencialna glede na obod polmera r, osredotočen na žico, njegovo smer pa daje pravilo desnega palca.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B je razlika magnetnega polja.

- I je intenziteta toka, ki teče skozi žico.

- r je razdalja med središčem žice in točko, kjer želite najti polje.

-r je vektor, ki gre od žice do točke, kjer želite izračunati polje.

Primeri

Spodaj sta dva primera magnetnega polja in njihovih analitičnih izrazov.

Magnetno polje, ki ga proizvaja zelo dolga pravokotna žica

Z zakonom Biot-Savart lahko pridobimo polje, ki ga ustvarja tanka žica s končnim prevodnikom, ki nosi tok I. Z integracijo vzdolž prevodnika in prevzemom omejevalnega primera, v katerem je zelo dolgo, je velikost polja rezultat:

Polje, ki ga je ustvarila tuljava Helmholtz

Tuljava Helmholtz je sestavljena iz dveh enakih in koncentričnih krožnih tuljav, na katera se prenaša isti tok. Služijo ustvarjanju približno enotnega magnetnega polja znotraj njega.

Slika 5. Shema tuljav Helmholtz. Vir: Wikimedia Commons.

Njegova velikost v središču tuljave je:

Y je usmerjen vzdolž osne osi. Faktorji enačbe so:

- N predstavlja število obratov tuljav

- Jaz sem jakost toka

- μ _o je magnetna prepustnost vakuuma

- R je polmer tuljav.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 1. Kinematika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetna poljska jakost H . Pridobljeno: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6. skrajšana izdaja. Cengage Learning.
4. Magnetno polje in magnetne sile. Pridobljeno: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 2. 7. Ed Cengage Learning.
7. Univerza v Vigu. Primeri magnetizma. Pridobljeno: quintans.webs.uvigo.es