MAGNETICKÉ POLE: INTENZITA, CHARAKTERISTIKA, ZDROJE, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2024

Magnetické pole je vplyv, ktorý pohybujúce sa elektrické náboje majú v priestore, ktorý ich obklopuje. Poplatky majú vždy elektrické pole, ale iba tie, ktoré sú v pohybe, môžu vytvárať magnetické efekty.

Existencia magnetizmu je známa už dlhú dobu. Starí Gréci opísali minerál, ktorý je schopný priťahovať malé kúsky železa: bol to lodestón alebo magnetit.

Obrázok 1. Vzorka magnetitu. Zdroj: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Mudrci Thales Miletus a Platón boli zaneprázdnení nahrávaním magnetických efektov vo svojich spisoch; Mimochodom, poznali aj statickú elektrinu.

Magnetizmus sa však nespájal s elektrinou až v 19. storočí, keď Hans Christian Oersted zistil, že kompas sa odchyľuje v blízkosti vodivého drôtu, ktorý vedie prúd.

Dnes vieme, že elektrina a magnetizmus sú takpovediac dve strany tej istej mince.

Magnetické pole vo fyzike

Vo fyzike je pojem magnetické pole vektorovou veličinou, s modulom (jeho číselnou hodnotou), smerom v priestore a zmyslom. Má tiež dva významy. Prvým z nich je vektor niekedy nazývaný magnetická indukcia a je označený B .

Jednotkou B v medzinárodnom systéme jednotiek je tesla, skrátene T. Druhou veličinou nazývanou aj magnetické pole je H , známa tiež ako intenzita magnetického poľa a ktorej jednotka je ampér / meter.

Obidve veličiny sú proporcionálne, sú však definované tak, aby zohľadňovali účinky, ktoré majú magnetické materiály na polia, ktoré nimi prechádzajú.

Ak je materiál umiestnený uprostred vonkajšieho magnetického poľa, výsledné pole bude závisieť od tohto a tiež od vlastnej magnetickej odozvy materiálu. Preto sú B a H spojené:

B = u Stabilizátory _m H

Tu μ _m je konštanta, ktorá závisí od materiálu a má vhodné jednotky, tak, že keď násobením H výsledok je tesla.

C

- Magnetické pole je vektorovou veľkosťou, preto má veľkosť, smer a zmysel.

- Jednotkou magnetického poľa B v medzinárodnom systéme je tesla, skrátene T, zatiaľ čo H je ampér / meter. Ďalšie jednotky, ktoré sa v literatúre často vyskytujú, sú gauss (G) a oersted.

- Čiary magnetického poľa sú vždy uzavreté slučky, opúšťajúce severný pól a vstupujúce na južný pól. Pole je vždy tangenciálne k čiaram.

- Magnetické póly sú vždy prezentované v páre sever - juh. Nie je možné mať izolovaný magnetický pól.

- Vždy pochádza z pohybu elektrických nábojov.

- Jeho intenzita je úmerná veľkosti zaťaženia alebo prúdu, ktorý ich vytvára.

- Veľkosť magnetického poľa klesá s inverziou štvorca vzdialenosti.

-Magnetické polia môžu byť konštantné alebo variabilné, tak v čase, ako aj v priestore.

- Magnetické pole je schopné vyvinúť magnetickú silu na pohybujúci sa náboj alebo na drôt, ktorý prenáša prúd.

Stĺpy z magnetu

Tyčový magnet má vždy dva magnetické póly: severný a južný pól. Je veľmi ľahké overiť, či sa póly rovnakého označenia odpudzujú, zatiaľ čo póly rôznych typov priťahujú.

Je to celkom podobné tomu, čo sa deje s elektrickým nábojom. Možno tiež pozorovať, že čím sú bližšie, tým väčšia je sila, s ktorou sa navzájom priťahujú alebo odpudzujú.

Tyčové magnety majú charakteristický obrazec siločiar. Sú to ostré krivky, opúšťajúce severný pól a vstupujúce na južný pól.

Obrázok 2. Čiary magnetického poľa tyčového magnetu. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jednoduchým pokusom pozerať sa na tieto riadky je šíriť železné piliny na hornú časť papiera a umiestniť pod nimi tyčový magnet.

Intenzita magnetického poľa je daná ako funkcia hustoty siločiar. Tieto sú vždy najhustejšie v blízkosti pólov a šíria sa, keď sa sťahujeme preč od magnetu.

Magnet je tiež známy ako magnetický dipól, v ktorom sú dva póly presne severné a južné magnetické póly.

Ale nikdy ich nemožno oddeliť. Ak rozstrihnete magnet na polovicu, získate dva magnety, každý so svojimi príslušnými severnými a južnými pólmi. Izolované póly sa nazývajú magnetické monopoly, ale doteraz neboli izolované.

zdroje

Dá sa hovoriť o rôznych zdrojoch magnetického poľa. Siahajú od magnetických minerálov, cez samotnú Zem, ktorá sa správa ako veľký magnet, až po elektromagnety.

Pravda je však taká, že každé magnetické pole má svoj pôvod v pohybe nabitých častíc.

Neskôr uvidíme, že prvotný zdroj všetkého magnetizmu spočíva v malých prúdoch vo vnútri atómu, hlavne v tých, ktoré sú produkované pohybmi elektrónov okolo jadra a kvantovými účinkami prítomnými v atóme.

Pokiaľ však ide o jeho makroskopický pôvod, môžeme myslieť na prírodné zdroje a umelé zdroje.

Prírodné zdroje sa v zásade „nevypínajú“, sú to permanentné magnety, treba však vziať do úvahy, že teplo ničí magnetizmus látok.

Čo sa týka umelých zdrojov, magnetický efekt môže byť potlačený a regulovaný. Preto máme:

-Magnety prírodného pôvodu, vyrobené z magnetických minerálov, ako napríklad magnetit a maghemit, napríklad oxidy železa.

-Elektrické prúdy a elektromagnety.

Magnetické minerály a elektromagnety

V prírode existujú rôzne zlúčeniny, ktoré vykazujú pozoruhodné magnetické vlastnosti. Sú schopné prilákať napríklad kúsky železa a niklu, ako aj ďalšie magnety.

Uvedené oxidy železa, ako je magnetit a maghemit, sú príkladmi tejto triedy látok.

Magnetická susceptibility je parameter, ktorý sa používa na kvantifikáciu magnetických vlastností hornín. Základné vyvrelé horniny sú horniny s najvyššou citlivosťou, kvôli ich vysokému obsahu magnetitu.

Na druhej strane, pokiaľ máte drôt, ktorý prenáša prúd, bude k nemu priradené magnetické pole. Tu máme ďalší spôsob, ako vygenerovať pole, ktoré má v tomto prípade formu sústredných kruhov s drôtom.

Smer pohybu poľa je daný pravidlom pravého palca. Keď palec pravej ruky ukazuje v smere prúdu, zostávajúce štyri prsty označujú smer, v ktorom sa línie poľa ohýbajú.

Obrázok 3. Pravidlo pravého palca na získanie smeru a zmyslu magnetického poľa. Zdroj: Wikimedia Commons.

Elektromagnet je zariadenie, ktoré produkuje magnetizmus z elektrických prúdov. Výhodou je, že sa dá podľa potreby zapínať a vypínať. Po zastavení prúdu magnetické pole zmizne. Okrem toho je možné regulovať intenzitu poľa.

Elektromagnety sú okrem iného súčasťou rôznych zariadení vrátane reproduktorov, pevných diskov, motorov a relé.

Magnetická sila na pohybujúci sa náboj

Existencia magnetického poľa B sa dá overiť pomocou skúšky q s elektrickým nábojom, ktorá sa pohybuje rýchlosťou v . Z tohto dôvodu je prítomnosť elektrických a gravitačných polí vylúčená, prinajmenšom na okamih.

V takom prípade je sila pôsobiaca na náboj q, ktorý sa označuje ako F _B , je úplne v dôsledku vplyvu poľa. Kvalitatívne sa sleduje:

-The veľkosť F _B je úmerná q a rýchlosti v.

-Ak v je rovnobežná s vektora magnetického poľa, je veľkosť F _B je nula.

- Magnetická sila je kolmá na obe strany v a B.

- Konečne je veľkosť magnetickej sily úmerná sínemu 9, kde 9 je uhol medzi vektorom rýchlosti a vektorom magnetického poľa.

Vyššie uvedené platí pre kladné aj záporné poplatky. Jediným rozdielom je, že smer magnetickej sily je obrátený.

Tieto pozorovania súhlasia s vektorovým produktom medzi dvoma vektormi, takže magnetická sila, ktorá vzniká pri bodovom náboji q, pohybujúcom sa rýchlosťou v v strede magnetického poľa, je:

F _B = q v x B

Čí modul je:

Obrázok 4. Pravostranné pravidlo pre magnetickú silu na kladný bodový náboj. Zdroj: Wikimedia Commons.

Ako sa vytvára magnetické pole?

Existuje niekoľko spôsobov, napríklad:

- Magnetizáciou vhodnej látky.

- Prechádzanie elektrického prúdu cez vodivý drôt.

Ale pôvod magnetizmu v hmote je vysvetlený pripomenutím, že musí byť spojený s pohybom nábojov.

Elektrón obiehajúci jadrom je v podstate malý obvod uzavretého prúdu, ale taký, ktorý je schopný podstatne prispieť k magnetizmu atómu. V magnetickom materiáli je veľmi veľa elektrónov.

Tento príspevok k magnetizmu atómu sa nazýva okružný magnetický moment. Je ich však viac, pretože preklad nie je jediným pohybom elektrónu. Má tiež magnetický spinový moment, kvantový efekt, ktorého analógiou je rotácia elektrónu na jeho osi.

V skutočnosti je magnetický moment otáčania hlavnou príčinou magnetizmu atómu.

druhy

Magnetické pole môže mať mnoho podôb v závislosti od distribúcie prúdov, ktoré ho tvoria. Na druhej strane sa môže líšiť nielen priestorom, ale aj časom alebo oboma súčasne.

- V blízkosti pólov elektromagnetu je približne konštantné pole.

- Vo vnútri solenoidu sa získa pole vysokej intenzity a rovnomernosti, pričom siločiary sú nasmerované pozdĺž axiálnej osi.

- Magnetické pole Zeme celkom dobre aproximuje pole tyčového magnetu, najmä v blízkosti povrchu. Slnečný vietor ďalej upravuje elektrické prúdy a zreteľne ich deformuje.

- Drôt, ktorý prenáša prúd, má pole vo forme sústredných kruhov s drôtom.

Pokiaľ ide o to, či sa pole môže v priebehu času meniť, máme:

- Statické magnetické polia, keď sa ich veľkosť ani smer v priebehu času nemenia. Pole tyčového magnetu je dobrým príkladom tohto typu poľa. Tiež tie, ktoré pochádzajú z drôtov, ktoré prenášajú stacionárne prúdy.

- Polia s premenlivým časom, ak sa niektorá z ich charakteristík v priebehu času mení. Jedným zo spôsobov, ako ich získať, sú generátory striedavého prúdu, ktoré využívajú jav magnetickej indukcie. Nachádzajú sa v mnohých bežne používaných zariadeniach, napríklad v mobilných telefónoch.

Biot-Savartov zákon

Ak je potrebné vypočítať tvar magnetického poľa vytváraného distribúciou prúdov, je možné využiť zákon Biot-Savart, ktorý objavil v roku 1820 francúzsky fyzik Jean Marie Biot (1774-1862) a Felix Savart (1791-1841). ).

Pre niektoré súčasné distribúcie s jednoduchými geometriami je možné matematický výraz pre vektor magnetického poľa získať priamo.

Predpokladajme, že máme drôtový segment s rozdielnou dĺžkou dl, ktorý prenáša elektrický prúd I. Drôt bude tiež považovaný za vákuum. Magnetické pole, ktoré vytvára túto distribúciu:

-Znižuje sa s inverziou štvorca vzdialenosti k drôtu.

-Je to úmerné intenzite prúdu I, ktorý prechádza drôtom.

-Jeho smer je tangenciálny k obvodu polomeru r centrovaného na vodiči a jeho smer je daný pravidlom pravého palca.

- μ _o = 4π. 10 - ⁷ Tm / A

- d B je rozdiel v magnetickom poli.

- I je intenzita prúdu pretekajúceho drôtom.

- r je vzdialenosť medzi stredom vodiča a bodom, kde chcete nájsť pole.

-r je vektor, ktorý ide z vodiča do bodu, kde chcete vypočítať pole.

Príklady

Ďalej uvádzame dva príklady magnetického poľa a ich analytické výrazy.

Magnetické pole vytvárané veľmi dlhým priamym drôtom

Prostredníctvom zákona Biot-Savart je možné získať pole produkované tenkým vodičom s obmedzeným vodičom, ktorý prenáša prúd I. Integráciou pozdĺž vodiča a prijímaním obmedzujúceho prípadu, v ktorom je veľmi dlhý, je veľkosť poľa výsledky:

Pole vytvorené cievkou Helmholtz

Helmholtzova cievka sa skladá z dvoch identických a sústredných kruhových cievok, do ktorých prechádza rovnaký prúd. Slúžia na vytvorenie približne rovnomerného magnetického poľa v ňom.

Obrázok 5. Schéma cievok Helmholtz. Zdroj: Wikimedia Commons.

Jeho veľkosť v strede cievky je:

Y je nasmerovaná pozdĺž axiálnej osi. Faktory rovnice sú:

- N predstavuje počet závitov cievok

- Ja som veľkosť súčasnej

- μ _o je magnetická priepustnosť vákua

- R je polomer cievok.

Referencie

1. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 1. Kinematika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
2. Intenzity magnetického poľa H . Získané z: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6. skrátené vydanie. Cengage Learning.
4. Magnetické pole a magnetické sily. Získané z: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 2. 7.. Ed. Cengage Learning.
7. Univerzita Vigo. Príklady magnetizmu. Získané z: quintans.webs.uvigo.es