Pole magnetyczne wokół przewodnika
Tematem tego artykułu jest pole magnetyczne wokół przewodnika. Jest to temat często niezrozumiany, dlatego w tym artykule przyjrzymy się bliżej, czym dokładnie jest pole magnetyczne i jak jest tworzone. Omówimy również natężenie pola, jak oddziałuje na obiekty w pobliżu, niektóre zastosowania pól magnetycznych oraz jak mierzyć natężenie pola magnetycznego.
Czym jest pole magnetyczne?
Pole magnetyczne to obszar wokół magnesu, gdzie wywiera siłę na inne magnesy lub gdzie siła magnetyczna jest wykrywalna. Pola magnetyczne są niewidoczne, ale odpowiadają za najbardziej charakterystyczną cechę magnesu: siłę, która przyciąga inne materiały ferromagnetyczne, takie jak żelazo, oraz przyciąga lub odpycha inne magnesy. Pola magnetyczne otaczają i przenikają całą materię, nawet ludzi.
Pole magnetyczne
Jak tworzy się pole magnetyczne?
Pole magnetyczne powstaje zawsze, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewodnik. Dzieje się tak, ponieważ poruszający się ładunek elektryczny tworzy pole magnetyczne. Natężenie i kierunek pola magnetycznego zależą od ilości przepływającego prądu i kierunku przepływu. Pola magnetyczne mogą być również tworzone przez magnesy trwałe (magnesy sztabkowe). Są one wykonane z materiałów, które naturalnie dobrze przewodzą elektryczność, takich jak żelazo. Cząsteczki w tych materiałach ustawiają się w rzędach, co tworzy silne pole magnetyczne. Gdy zbliżysz przewodnik do magnesu, pole magnetyczne z magnesu wpływa na poruszające się ładunki w przewodniku. To powoduje przepływ prądu, tworząc przewodnik prądowy, który tworzy własne pole magnetyczne. Te dwa pola oddziałują ze sobą, co skutkuje siłą, która przyciąga lub odpycha obiekty.
Charakterystyka magnesu trwałego
Natężenie pola magnetycznego
Natężenie pola magnetycznego jest określane przez ilość prądu przepływającego przez przewodnik, który wytworzył pole magnetyczne. Im większy prąd, tym silniejsze pole magnetyczne.
Linie pola magnetycznego są używane do wyrażenia natężenia pola magnetycznego. Linie magnetyczne blisko siebie wskazują na silne pole magnetyczne w danym obszarze, podczas gdy mniej gęsto rozmieszczone linie wskazują na słabsze pole magnetyczne w tym obszarze.
Solenoidy
Natężenie pola magnetycznego zależy od liczby zwojów w zwoju drutu, który je stworzył. Im więcej zwojów, tym silniejsze pole magnetyczne. Zwój przewodnika jest często nazywany solenoidem.
Oddziaływanie pól magnetycznych
Natężenie pola magnetycznego może być wpływane przez obecność innych pól magnetycznych. Jeśli obecne są dwa pola magnetyczne, będą one oddziaływać ze sobą, a siła każdego z nich zostanie zmniejszona.
Odległość a natężenie pola
Natężenie pola magnetycznego maleje wraz z odległością. Im dalej jesteś od źródła pola, tym słabsze będzie. Wszystkie te czynniki przyczyniają się do natężenia pola magnetycznego.
Kierunek pola magnetycznego
Kierunek pola magnetycznego to kierunek, w którym biegun północny poruszałby się, gdyby został umieszczony w polu; przeciwieństwem bieguna północnego jest biegun południowy. Kierunek pola można przedstawić za pomocą linii siły, które są rysowane, aby pokazać kierunek, w jakim poruszałby się biegun północny. Te linie siły mogą być używane do pokazania kierunku pola w dowolnym punkcie. Kierunek pola można również określić za pomocą kompasu. Gdy kompas jest umieszczony w polu magnetycznym, igła wskaże kierunek pola. Kierunek pola można określić na podstawie jego wpływu na poruszające się ładunki. Ładunek poruszający się przez pole magnetyczne doświadczy siły, która jest prostopadła zarówno do kierunku pola, jak i kierunku ruchu; ta siła może być używana do określenia kierunku pola.
Kierunek pola magnetycznego
Właściwości pola magnetycznego
Istnieje kilka właściwości pola magnetycznego, które są ważne do rozważenia:
- Jedną z nich jest jego natężenie, które jest określane przez liczbę obecnych cząstek magnetycznych.
- Inną jest jego kierunek, który może być północ-południe lub południe-północ.
- Jego polaryzacja określa, jak cząstki są ustawione, przy czym pozytywne cząstki są przyciągane do negatywnych biegunów i odwrotnie.
Te właściwości współpracują, aby stworzyć ogólny efekt pola magnetycznego.
Zastosowania pola magnetycznego
Pola magnetyczne są używane na wiele sposobów, w tym do generowania energii elektrycznej, zasilania maszyn MRI i lewitacji pociągów. Magnesy są używane do przechowywania danych na dyskach twardych i kartach kredytowych oraz odgrywają kluczową rolę w wielu nowoczesnych technologiach. Pole magnetyczne Ziemi chroni nas nawet przed szkodliwym promieniowaniem kosmicznym, co czyni je niezbędnym dla naszego przetrwania.
Efekty pola magnetycznego
Cała materia składa się z atomów, a każdy atom ma jądro złożone z protonów i neutronów. Wokół jądra znajduje się chmura elektronów, które orbitują wokół jądra. Elektrony nadają atomom ich właściwości magnetyczne. Gdy na materiał działa pole magnetyczne, elektrony w atomach ustawiają się zgodnie z polem. Na przykład, gdy pole magnetyczne działa na kawałek żelaza, żelazo staje się namagnesowane. To ustawienie może powodować efekty takie jak przyciąganie lub odpychanie, w zależności od siły i orientacji pola. W niektórych materiałach ustawienie elektronów może również powodować zmianę kształtu materiału. Efekty pól magnetycznych są szeroko zakrojone i były intensywnie badane zarówno w fizyce, jak i inżynierii.
Istnieje wiele efektów, które mogą być wywołane przez pole magnetyczne. Jednym z najbardziej znanych efektów jest zdolność do wywierania siły na obiekty. Ta siła jest znana jako siła magnetyczna i jest odpowiedzialna za szeroki zakres zjawisk, od ruchu elektronów w obwodach po zachowanie magnesów. Siła magnetyczna zależy od natężenia pola magnetycznego.
Innym efektem pola magnetycznego jest tworzenie indukcyjności. Dzieje się tak, gdy przewód przewodzący prąd jest umieszczony w polu magnetycznym, co skutkuje przeciwną siłą, która przeciwdziała zmianom w prądzie. Indukcyjność jest odpowiedzialna za szeroki zakres efektów, od działania transformatorów elektrycznych po generowanie energii elektrycznej przez elektrownie.
Pola magnetyczne mogą również powodować, że materiały emitują światło. Ten efekt jest znany jako elektroluminescencja. Efekt ten jest wykorzystywany w różnych zastosowaniach, od telewizorów z płaskim ekranem po znaki wyjścia.
Jak mierzyć pole magnetyczne?
Istnieje kilka różnych metod pomiaru pól magnetycznych. Jedną z powszechnych metod jest użycie magnetometru, który jest urządzeniem mierzącym siłę i kierunek pól magnetycznych. Innym sposobem pomiaru pól magnetycznych jest użycie elektromagnesu, który jest zwojem drutu generującym pole magnetyczne, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Wreszcie, pola magnetyczne można mierzyć za pomocą kompasu, który mierzy kierunek pola magnetycznego. Wszystkie te metody mogą być używane do pomiaru siły i kierunku pól magnetycznych.