POLE MAGNETYCZNE: NATĘŻENIE, CHARAKTERYSTYKA, ŹRÓDŁA, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Pole magnetyczne to wpływ, jaki poruszające się ładunki elektryczne wywierają na otaczającą je przestrzeń. Ładunki zawsze mają pole elektryczne, ale tylko te, które są w ruchu, mogą generować efekty magnetyczne.

Istnienie magnetyzmu jest znane od dawna. Starożytni Grecy opisywali minerał zdolny do przyciągania małych kawałków żelaza: był to lodestone lub magnetyt.

Rysunek 1. Próbka magnetytu. Źródło: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Mędrcy Tales z Miletu i Platon byli zajęci zapisywaniem efektów magnetycznych w swoich pismach; nawiasem mówiąc, znali też elektryczność statyczną.

Ale magnetyzm został powiązany z elektrycznością dopiero w XIX wieku, kiedy Hans Christian Oersted zauważył, że kompas odchyla się w pobliżu przewodzącego prądu drutu.

Dziś wiemy, że elektryczność i magnetyzm to, że tak powiem, dwie strony tego samego medalu.

Pole magnetyczne w fizyce

W fizyce termin pole magnetyczne jest wielkością wektorową o module (jego wartość liczbowa), kierunku w przestrzeni i sensie. Ma też dwa znaczenia. Pierwszy jest wektor nazywane indukcja magnetyczna jest oznaczona przez B .

Jednostką B w międzynarodowym układzie jednostek jest tesla, w skrócie T. Inną wielkością nazywaną również polem magnetycznym jest H , znane również jako natężenie pola magnetycznego, którego jednostką jest amper / metr.

Obie wielkości są proporcjonalne, ale definiuje się je w ten sposób, aby uwzględnić wpływ materiałów magnetycznych na pola, które przez nie przechodzą.

Jeśli materiał zostanie umieszczony w środku zewnętrznego pola magnetycznego, powstałe pole będzie zależało od tego, a także od własnej odpowiedzi magnetycznej materiału. Dlatego B i H są powiązane przez:

B = μ _m H

Tutaj μ _m jest stałą zależną od materiału i ma odpowiedniego urządzenia, tak, że gdy pomnożony przez H wynik jest Tesla.

do

-Pole magnetyczne jest wielkością wektorową, dlatego ma wielkość, kierunek i zwrot.

-Jednostką pola magnetycznego B w systemie międzynarodowym jest tesla, w skrócie T, podczas gdy H to amper / metr. Inne jednostki, które często pojawiają się w literaturze to gauss (G) i ersted.

-Linie pola magnetycznego są zawsze zamkniętymi pętlami, opuszczającymi biegun północny i wchodzącymi w biegun południowy. Pole jest zawsze styczne do linii.

- Bieguny magnetyczne są zawsze przedstawiane w parze północ-południe. Nie jest możliwe posiadanie izolowanego bieguna magnetycznego.

-Zawsze pochodzi z ruchu ładunków elektrycznych.

-Jego intensywność jest proporcjonalna do wielkości obciążenia lub prądu, który je wytwarza.

-Wielkość pola magnetycznego maleje wraz z odwrotnością kwadratu odległości.

-Pola magnetyczne może być stałe lub zmienne, zarówno w czasie, jak iw przestrzeni.

-Pole magnetyczne może wywierać siłę magnetyczną na poruszający się ładunek lub na przewód, który przewodzi prąd.

Słupy magnesu

Magnes sztabkowy ma zawsze dwa bieguny magnetyczne: biegun północny i biegun południowy. Bardzo łatwo jest sprawdzić, czy bieguny o tym samym znaku odpychają się, a różne typy przyciągają.

Jest to bardzo podobne do tego, co dzieje się z ładunkami elektrycznymi. Można również zauważyć, że im bliżej są, tym większa siła, z jaką się przyciągają lub odpychają.

Magnesy sztabkowe mają charakterystyczny wzór linii pola. Są to ostre zakręty, opuszczające biegun północny i wchodzące na biegun południowy.

Rysunek 2. Linie pola magnetycznego magnesu sztabkowego. Źródło: Wikimedia Commons.

Prostym eksperymentem, aby spojrzeć na te linie, jest rozłożenie opiłków żelaza na papierze i umieszczenie pod spodem magnesu sztabkowego.

Intensywność pola magnetycznego jest podana jako funkcja gęstości linii pola. Są one zawsze najgęstsze w pobliżu biegunów i rozprzestrzeniają się, gdy oddalamy się od magnesu.

Magnes jest również znany jako dipol magnetyczny, w którym dwa bieguny są dokładnie biegunami północnymi i południowymi.

Ale nigdy nie można ich rozdzielić. Jeśli przecinasz magnes na pół, otrzymasz dwa magnesy, każdy z odpowiednimi biegunami północnym i południowym. Izolowane bieguny nazywane są monopolami magnetycznymi, ale jak dotąd żaden nie został wyizolowany.

Źródła

Można mówić o różnych źródłach pola magnetycznego. Obejmują one od minerałów magnetycznych, poprzez samą Ziemię, która zachowuje się jak duży magnes, po elektromagnesy.

Ale prawda jest taka, że ​​każde pole magnetyczne ma swój początek w ruchu naładowanych cząstek.

Później zobaczymy, że pierwotne źródło wszelkiego magnetyzmu znajduje się w maleńkich prądach wewnątrz atomu, głównie tych, które są wytwarzane w wyniku ruchów elektronów wokół jądra oraz efektów kwantowych obecnych w atomie.

Jednak biorąc pod uwagę jego makroskopowe pochodzenie, można pomyśleć o źródłach naturalnych i sztucznych.

Źródła naturalne w zasadzie nie „wyłączają się”, są to magnesy trwałe, należy jednak wziąć pod uwagę, że ciepło niszczy magnetyzm substancji.

Jeśli chodzi o sztuczne źródła, efekt magnetyczny można stłumić i kontrolować. Dlatego mamy:

-Magnesy pochodzenia naturalnego, wykonane z minerałów magnetycznych, takich jak magnetyt i maghemit, na przykład tlenki żelaza.

- Prądy elektryczne i elektromagnesy.

Magnetyczne minerały i elektromagnesy

W naturze istnieją różne związki, które wykazują niezwykłe właściwości magnetyczne. Są w stanie przyciągać na przykład kawałki żelaza i niklu, a także inne magnesy.

Wspomniane tlenki żelaza, takie jak magnetyt i maghemit, są przykładami tej klasy substancji.

Podatność magnetyczna to parametr używany do ilościowego określania właściwości magnetycznych skał. Podstawowe skały magmowe to te o największej podatności, ze względu na dużą zawartość magnetytu.

Z drugiej strony, dopóki masz przewód, który przewodzi prąd, będzie związane z nim pole magnetyczne. Tutaj mamy inny sposób generowania pola, które w tym przypadku przyjmuje postać koncentrycznych okręgów z przewodem.

Kierunek ruchu pola określa reguła prawego kciuka. Kiedy kciuk prawej ręki wskazuje kierunek prądu, cztery pozostałe palce wskażą kierunek, w którym linie pola są wygięte.

Rysunek 3. Zasada prawego kciuka pozwalająca określić kierunek i sens pola magnetycznego. Źródło: Wikimedia Commons.

Elektromagnes to urządzenie wytwarzające magnetyzm z prądów elektrycznych. Ma tę zaletę, że można go włączać i wyłączać w dowolnym momencie. Kiedy prąd ustaje, pole magnetyczne zanika. Dodatkowo można kontrolować natężenie pola.

Elektromagnesy są częścią różnych urządzeń, w tym między innymi głośników, dysków twardych, silników i przekaźników.

Siła magnetyczna działająca na poruszający się ładunek

Istnienie pola magnetycznego B można zweryfikować za pomocą testowego ładunku elektrycznego - zwanego q -, który porusza się z prędkością v . W tym celu, przynajmniej na razie, wykluczona jest obecność pól elektrycznych i grawitacyjnych.

W takim przypadku siła, jakiej doświadcza ładunek q, oznaczona jako F _B , jest w całości spowodowana wpływem pola. Pod względem jakościowym przestrzega się:

-Ilość F _B jest proporcjonalna do q i prędkości v.

-Jeśli v jest równoległe do wektora pola magnetycznego, wielkość F _B wynosi zero.

-Siła magnetyczna jest prostopadła zarówno do v, jak i B.

-W końcu wielkość siły magnetycznej jest proporcjonalna do sin θ, gdzie θ jest kątem między wektorem prędkości a wektorem pola magnetycznego.

Wszystkie powyższe dotyczą zarówno ładunków dodatnich, jak i ujemnych. Jedyna różnica polega na tym, że kierunek siły magnetycznej jest odwrócony.

Obserwacje te zgadzają się z iloczynem wektorowym między dwoma wektorami, tak że siła magnetyczna, której doświadcza ładunek punktowy q, poruszający się z prędkością v w środku pola magnetycznego, wynosi:

F _B = q v x B

Czyj to moduł:

Rysunek 4. Reguła prawej ręki dla siły magnetycznej dodatniego ładunku punktowego. Źródło: Wikimedia Commons.

Jak powstaje pole magnetyczne?

Jest kilka sposobów, na przykład:

-Magnetyzując odpowiednią substancję.

- Przepuszczanie prądu elektrycznego przez przewodzący drut.

Ale pochodzenie magnetyzmu w materii wyjaśnia się, pamiętając, że musi on być związany z ruchem ładunków.

Elektron krążący wokół jądra jest zasadniczo małą, zamkniętą pętlą prądu, ale może w znacznym stopniu przyczynić się do magnetyzmu atomu. W kawałku materiału magnetycznego znajduje się bardzo dużo elektronów.

Ten wkład w magnetyzm atomu nazywany jest orbitalnym momentem magnetycznym. Ale to nie wszystko, ponieważ translacja nie jest jedynym ruchem elektronu. Posiada również magnetyczny moment spinowy, efekt kwantowy, którego analogią jest rotacja elektronu wokół własnej osi.

W rzeczywistości magnetyczny moment spinu jest główną przyczyną magnetyzmu atomu.

Rodzaje

Pole magnetyczne może przybierać różne formy, w zależności od rozkładu prądów, które je wywołują. Z kolei może zmieniać się nie tylko przestrzennie, ale także w czasie lub w obu przypadkach jednocześnie.

-W pobliżu biegunów elektromagnesu występuje w przybliżeniu stałe pole.

-Również wewnątrz solenoidu uzyskuje się duże natężenie i jednorodne pole, z liniami pola skierowanymi wzdłuż osi osiowej.

-Pole magnetyczne Ziemi dość dobrze zbliża się do pola magnesu sztabkowego, szczególnie w pobliżu powierzchni. Dalej wiatr słoneczny modyfikuje prądy elektryczne i wyraźnie je deformuje.

-Drut przewodzący prąd ma pole w postaci koncentrycznych okręgów z przewodem.

Jeśli chodzi o to, czy pole może się zmieniać w czasie, czy nie, mamy:

-Statyczne pola magnetyczne, gdy ani ich wielkość, ani kierunek nie zmieniają się w czasie. Przykładem tego typu pola jest pole magnesu sztabkowego. Również te, które pochodzą z drutów przenoszących prądy stacjonarne.

-Zmienne pola w czasie, jeśli którakolwiek z ich cech zmienia się w czasie. Jednym ze sposobów ich uzyskania są generatory prądu przemiennego, które wykorzystują zjawisko indukcji magnetycznej. Występują w wielu powszechnie używanych urządzeniach, na przykład telefonach komórkowych.

Prawo Biota-Savarta

Kiedy trzeba obliczyć kształt pola magnetycznego wytwarzanego przez rozkład prądów, można skorzystać z prawa Biota-Savarta, odkrytego w 1820 roku przez francuskich fizyków Jean Marie Biot (1774-1862) i Felixa Savarta (1791-1841). ).

W przypadku niektórych rozkładów prądu o prostej geometrii można bezpośrednio uzyskać matematyczne wyrażenie dla wektora pola magnetycznego.

Załóżmy, że mamy odcinek drutu o różnej długości dl, który przewodzi prąd elektryczny I. Zakłada się również, że drut znajduje się w próżni. Pole magnetyczne, które wytwarza ten rozkład:

-Zmniejsza się wraz z odwrotnością kwadratu odległości do przewodu.

-Jest proporcjonalna do natężenia prądu I, który przepływa przez drut.

-Jego kierunek jest styczny do obwodu promienia r wyśrodkowanego na drucie, a jego kierunek określa reguła prawego kciuka.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B jest różnicą pola magnetycznego.

- I to natężenie prądu przepływającego przez drut.

- r to odległość między środkiem przewodu a punktem, w którym chcesz znaleźć pole.

-r to wektor biegnący od przewodu do punktu, w którym chcesz obliczyć pole.

Przykłady

Poniżej znajdują się dwa przykłady pola magnetycznego i ich wyrażenia analityczne.

Pole magnetyczne wytwarzane przez bardzo długi, prostoliniowy drut

Za pomocą prawa Biota-Savarta można uzyskać pole wytwarzane przez cienki skończony przewód przewodzący prąd I. Przez całkowanie wzdłuż przewodnika i przyjmowanie przypadku granicznego, w którym jest ono bardzo długie, wielkość pola wynik:

Pole utworzone przez cewkę Helmholtza

Cewka Helmholtza składa się z dwóch identycznych i koncentrycznych cewek okrągłych, do których przepływa ten sam prąd. Służą do wytworzenia w nim mniej więcej jednorodnego pola magnetycznego.

Rysunek 5. Schemat cewek Helmholtza. Źródło: Wikimedia Commons.

Jego wielkość w środku cewki wynosi:

Y jest skierowany wzdłuż osi osiowej. Czynniki równania to:

- N reprezentuje liczbę zwojów cewek

- Ja jest wielkością prądu

- μ _o to przenikalność magnetyczna próżni

- R jest promieniem cewek.

Bibliografia

1. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 1. Kinematyka. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
2. Pole magnetyczne Siła H . Odzyskany z: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6. wydanie skrócone. Cengage Learning.
4. Pole magnetyczne i siły magnetyczne. Odzyskany z: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 2. 7th. Ed. Cengage Learning.
7. Uniwersytet w Vigo. Przykłady magnetyzmu. Odzyskany z: quintans.webs.uvigo.es