MAGNETSKO POLJE: INTENZITET, KARAKTERISTIKE, IZVORI, PRIMJERI - FIZIČKA - 2026

Magnetsko polje je utjecaj koji kreće električni naboji imaju na prostoru koji ih okružuje. Naboji uvijek imaju električno polje, ali samo oni koji su u pokretu mogu stvoriti magnetske efekte.

Postojanje magnetizma poznato je već duže vrijeme. Stari Grci opisivali su mineral koji je sposoban da privuče male komadiće željeza: bio je to lodestone ili magnetit.

Slika 1. Uzorak magnetita. Izvor: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Mudraci Thales iz Mileta i Platona bili su zauzeti snimanjem magnetskih efekata u svojim spisima; usput, znali su i statički elektricitet.

Ali magnetizam se nije povezao s električnom energijom sve do 19. stoljeća, kada je Hans Christian Oersted opazio da kompas odstupa u blizini provodne žice koja nosi struju.

Danas znamo da su struja i magnetizam, da tako kažemo, dvije strane iste kovanice.

Magnetsko polje u fizici

U fizici je izraz magnetsko polje vektorska količina s modulom (njegova numerička vrijednost), smjerom u prostoru i smislu. Također ima dva značenja. Prvi vektor ponekad naziva i magnetska indukcija je označena s B.

Jedinica B u međunarodnom sustavu jedinica je tesla, skraćeno T. Druga količina koja se naziva i magnetsko polje je H, poznata i kao intenzitet magnetskog polja i čija je jedinica ampera / metar.

Obje su količine proporcionalne, ali su definirane na taj način kako bi se uzeli u obzir učinci koje magnetski materijali imaju na polja koja prolaze kroz njih.

Ako se materijal postavi u sredinu vanjskog magnetskog polja, dobiveno polje ovisit će o tome, a također i o vlastitom magnetskom odzivu. Zato su B i H povezani sa:

B = μ _m H

Ovdje je μ _m konstanta koja ovisi o materijalu i ima prikladne jedinice, tako da kada se množi s H, rezultat je tesla.

C

-Magnetno polje je vektorska veličina, stoga ima veličinu, smjer i smisao.

- Jedinica magnetskog polja B u međunarodnom sustavu je tesla, skraćeno kao T, dok je H ampera / metar. Ostale jedinice koje se često pojavljuju u literaturi su gase (G) i oersted.

-Line magnetskog polja su uvijek zatvorene petlje, napuštajući sjeverni i ulazi u južni pol. Polje je uvijek tangentno prema linijama.

- Magnetski stupovi uvijek su predstavljeni u paru sjever-jug. Nije moguće imati izolirani magnetski pol.

-Ona uvijek potječe od kretanja električnih naboja.

-Ja je intenzitet proporcionalan veličini opterećenja ili struji koja ga proizvodi.

-Veličina magnetskog polja opada s inverznom kvadratom udaljenosti.

-Magnetska polja mogu biti konstantna ili promjenjiva, kako u vremenu tako i u prostoru.

-Magnetsko polje može aktivirati magnetsku silu na pokretni naboj ili na žicu koja nosi struju.

Stupovi magneta

Šipka magnet ima uvijek dva magnetska pola: sjeverni i južni pol. Vrlo je lako provjeriti odbijaju li se stupovi istog znaka, dok ih oni različitih vrsta privlače.

To je prilično slično onome što se događa s električnim nabojima. Također se može primijetiti da što su bliže, to je veća sila kojom se međusobno privlače ili odbijaju.

Barski magneti imaju karakterističan uzorak linija polja. Oštre su krivulje, napuštaju sjeverni pol i ulaze na južni pol.

Slika 2. Crte magnetskog polja magnetskog polja. Izvor: Wikimedia Commons.

Jednostavan eksperiment za gledanje ovih linija je širenje željeznih obloga na vrh papira i stavljanje magnetne trake ispod.

Intenzitet magnetskog polja dan je kao funkcija gustoće linija polja. Oni su uvijek najgušći u blizini stupova, a šire se kako se odmičemo od magneta.

Magnet je također poznat i kao magnetski dipol, u kojem su dva pola upravo sjeverni i južni magnetski pol.

Ali nikad se ne mogu razdvojiti. Ako magnet prerežete na pola, dobit ćete dva magneta, svaki sa svojim sjevernim i južnim polovima. Izolirani stupovi nazivaju se magnetski monopoli, no do danas nije izoliran niti jedan.

izvori

Može se govoriti o različitim izvorima magnetskog polja. Oni se kreću od magnetskih minerala, preko same Zemlje, koja se ponaša poput velikog magneta, do elektromagneta.

Ali istina je da svako magnetsko polje ima svoje podrijetlo u kretanju nabijenih čestica.

Kasnije ćemo vidjeti kako primordijalni izvor čitavog magnetizma boravi u sićušnim strujama unutar atoma, uglavnom onima koje nastaju uslijed kretanja elektrona oko jezgre i kvantnih učinaka prisutnih u atomu.

Međutim, s obzirom na njegovo makroskopsko podrijetlo, može se razmišljati o prirodnim i umjetnim izvorima.

Prirodni izvori u principu se ne "isključuju", oni su trajni magneti, no mora se uzeti u obzir da toplina uništava magnetizam tvari.

Što se umjetnih izvora tiče, magnetski učinak se može suzbiti i kontrolirati. Stoga imamo:

-Magneti prirodnog podrijetla, izrađeni, primjerice, od magnetnih minerala poput magnetita i maghemita, oba željezna oksida.

-Električne struje i elektromagneti.

Magnetski minerali i elektromagneti

U prirodi postoje razni spojevi koji pokazuju nevjerojatna magnetska svojstva. Oni su sposobni privući, primjerice, dijelove željeza i nikla, kao i druge magnete.

Spomenuti željezovi oksidi, poput magnetita i maghemita, primjeri su ove klase tvari.

Magnetska osjetljivost je parametar koji se koristi za kvantificiranje magnetskih svojstava stijena. Osnovne magnetske stijene su one s najvećom osjetljivošću zbog visokog sadržaja magnetita.

S druge strane, kad god imate žicu koja nosi struju, pojavit će se pridruženo magnetsko polje. Ovdje imamo još jedan način stvaranja polja, koje u ovom slučaju poprima oblik koncentričnih krugova žicom.

Smjer kretanja polja dat je pravilom palca desne strane. Kad palac desne ruke pokaže u smjeru struje, četiri preostala prsta prikazat će smjer u kojem su savijene linije polja.

Slika 3. Pravilo palca desno za dobivanje smjera i osjećaja magnetskog polja. Izvor: Wikimedia Commons.

Elektromagnet je uređaj koji proizvodi magnetizam od električnih struja. Prednost ima mogućnost uključivanja i isključivanja po volji. Kad struja prestane, magnetsko polje nestaje. Osim toga, intenzitet polja se također može kontrolirati.

Elektromagneti su dio raznih uređaja, uključujući zvučnike, tvrde diskove, motore i releje.

Magnetska sila na pokretni naboj

Postojanje magnetskog polja B može se provjeriti pomoću ispitnog električnog naboja zvanog q- i kreće se brzinom v. Zbog toga je, barem za sada, isključena prisutnost električnih i gravitacijskih polja.

U takvom slučaju sila koju iskušava naboj q, koja je označena kao F _B, u cijelosti je posljedica utjecaja polja. Kvalitativno se primjećuje sljedeće:

-Većina F _B proporcionalna je q i brzini v.

-Ako je v paralelna s vektorom magnetskog polja, jačina F _B je jednaka nuli.

-Magnetska sila okomita je i na v i na B.

-Na kraju, veličina magnetske sile proporcionalna je sin θ, gdje je θ kut između vektora brzine i vektora magnetskog polja.

Sve gore navedeno vrijedi i za pozitivne i za negativne troškove. Jedina je razlika što je smjer magnetske sile obrnut.

Ova se opažanja slažu s vektorskim produktom između dva vektora, tako da je magnetska sila koju doživljava tačka naboja q, koja se kreće brzinom v u sredini magnetskog polja:

F _B = q v x B

Čiji je modul:

Slika 4. Pravilo desno za magnetsku silu na pozitivnom točkovnom naboju. Izvor: Wikimedia Commons.

Kako nastaje magnetsko polje?

Na primjer, postoji nekoliko načina:

-Magnetiziranjem odgovarajuće tvari.

- Prolazak električne struje kroz vodljivu žicu.

Ali podrijetlo magnetizma u materiji objašnjava se sjećanjem da se mora povezati s kretanjem naboja.

Elektroni koji orbitiraju oko jezgre u osnovi su maleni zatvoreni strujni krug, ali onaj koji može znatno doprinijeti magnetizmu atoma. U komadu magnetskog materijala nalazi se jako puno elektrona.

Ovaj doprinos magnetizmu atoma naziva se orbitalni magnetski trenutak. Ali ima i više, jer prijevod nije jedino kretanje elektrona. Također ima magnetski spin moment, kvantni efekt čija je analogija rotaciji elektrona na njegovoj osi.

Zapravo, magnetski trenutak centrifuge glavni je uzrok magnetizma atoma.

vrste

Magnetsko polje može primiti različite oblike, ovisno o raspodjeli struja koje ga potiču. Zauzvrat, ona može varirati ne samo u prostoru, već i u vremenu ili oboje istovremeno.

-U blizini polova elektromagneta postoji približno konstantno polje.

-Takođe unutar solenoida dobiva se visoko intenzitetno i ujednačeno polje, pri čemu su polja polja usmjerena duž aksijalne osi.

-Megnetno polje Zemlje prilično se približava polju magnetskog stuba, posebno u blizini površine. Dalje na suncu, solarni vjetar modificira električne struje i primjetno ga deformira.

-Žica koja nosi struju ima polje u obliku koncentričnih krugova s ​​žicom.

S obzirom na to može li polje varirati s vremenom ili ne, imamo:

-Statička magnetska polja, kada se ni njihova veličina ni smjer s vremenom ne mijenjaju. Polje magnetne trake dobar je primjer ove vrste polja. Također one koje potječu od žica koje nose stacionarne struje.

- Vremenski promjenjiva polja, ako se bilo koja njihova karakteristika vremenom mijenja. Jedan način da ih se dobije jest iz generatora izmjeničnih struja, koji koriste fenomen magnetske indukcije. Oni se nalaze u mnogim često korištenim uređajima, na primjer, mobitelima.

Biot-Savartov zakon

Kad je potrebno izračunati oblik magnetskog polja proizvedenog raspodjelom struja, može se upotrijebiti zakon Biot-Savart, koji su otkrili 1820. francuski fizičari Jean Marie Biot (1774-1862) i Felix Savart (1791-1841).).

Za neke raspodjele struje jednostavnim geometrijama može se dobiti matematički izraz za vektor magnetskog polja izravno.

Pretpostavimo da imamo segment žice diferencijalne duljine dl koji nosi električnu struju I. Pretpostavlja se da se žica nalazi u vakuumu. Magnetsko polje koje proizvodi ovu distribuciju:

-Umanjuje se s inverzi kvadratom udaljenosti od žice.

-O proporcionalan je intenzitetu struje I koja prolazi žicom.

-Njegov je smjer tangencijalni za obim polumjera r usredotočen na žicu, a njegov smjer daje pravilo palca desne strane.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B je diferencijalno magnetsko polje.

- I je intenzitet struje koja teče kroz žicu.

- r je udaljenost između središta žice i točke u kojoj želite pronaći polje.

-r je vektor koji ide od žice do točke gdje želite izračunati polje.

Primjeri

Ispod su dva primjera magnetskog polja i njihovih analitičkih izraza.

Magnetsko polje proizvedeno vrlo dugom pravocrtnom žicom

Pomoću Biot-Savart zakona moguće je dobiti polje proizvedeno tankom žicom konačnog vodiča koja nosi struju I. Integrirajući se duž vodiča i uzimajući granični slučaj u kojem je jako dugačak, veličina polja proizlaziti:

Polje stvoreno od zavojnice Helmholtz

Zavojnica Helmholtz sastoji se od dvije identične i koncentrične kružne zavojnice na koje prolazi ista struja. Oni služe za stvaranje približno jednolikog magnetskog polja unutar njega.

Slika 5. Shema Helmholtzovih zavojnica. Izvor: Wikimedia Commons.

Njegova veličina u središtu zavojnice je:

Y je usmjeren duž osne osi. Čimbenici jednadžbe su:

- N predstavlja broj navoja zavojnica

- Ja sam jačina struje

- μ _o je magnetska propusnost vakuuma

- R je polumjer zavojnica.

Reference

1. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 1. Kinematika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
2. Magnetsko polje snage H. Oporavak od: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6. skraćeno izdanje. Cengage Learning.
4. Magnetsko polje i magnetske sile. Oporavak od: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 2. 7. Ed. Cengage Learning.
7. Sveučilište u Vigu. Primjeri magnetizma. Oporavak od: quintans.webs.uvigo.es