Magnetische velden

Magnetische velden zijn fundamenteel voor elektromagnetisme en vormen de basis voor vele praktische toepassingen, variërend van kompassen tot magnetische resonantie beeldvorming.

Magnetische velden of B-velden kunnen worden gegenereerd door bewegende ladingen, zoals een elektrische stroom, of objecten zoals staafmagneten door de microscopische dynamiek van ladingen in het magnetische materiaal.

Deze video zal illustreren hoe magnetische velden gevisualiseerd kunnen worden die worden geproduceerd door een stroomvoerende geleider en een permanente staafmagneet. Bovendien zal deze video ook de kracht demonstreren die wordt uitgeoefend door de magnetische velden geproduceerd door een stroom op een andere stroomvoerende draad.

Magnetische velden kunnen worden gevisualiseerd met behulp van magnetische veldlijnen. Dit zijn fictieve lijnen die helpen bij het begrijpen van de verdeling en richting van magnetische velden.

De raaklijn vanaf een magnetisch veldlijn geeft de lokale richting van het magnetische veld weer, en de dichtheid van de lijnen weerspiegelt de sterkte van het lokale magnetische veld, die in het geval van een staafmagneet afneemt naarmate we verder van het oppervlak af bewegen. Verschillende configuraties van stroomgeleidende draad produceren verschillende variaties in magnetische veldverdelingen.

Bijvoorbeeld, een lange rechte draad die een elektrische stroom voert, produceert een magnetisch veld, waarvan de richting, zoals weergegeven door "magnetische veldlijnen", langs de cirkelvormige raaklijnrichting rond de draad loopt.

In het geval van een staafmagneet verlaten de magnetische veldlijnen de noordpool van de magneet en komen binnen in de zuidpool van de magneet. Dit is vergelijkbaar met het magnetische veldpatroon geproduceerd door een solenoïde, wat een cilindrische spoel van draad is die stroom voert.

De richting van het magnetische veld geproduceerd door een stroom kan worden bepaald met de "rechtshandregel". De regel stelt dat als de duim in de richting van de stroom wijst, de vingers die zich om de geleider krullen de richting van het magnetische veld aangeven. Dus een staafmagneet, wanneer deze dicht bij de geleider wordt gebracht, lijnt zich uit met het gegenereerde lokale magnetische veld.

Nu we weten dat magnetische velden, geproduceerd door elke geleider of magneet, interageren met nabijgelegen magnetische materialen. Bovendien interageren de gegenereerde magnetische velden ook met bewegende elektrische ladingen, zoals die gevonden in een tweede stroomvoerende geleider.

Wanneer een bewegende lading 'q' wordt geïntroduceerd in een magnetisch veld 'B', oefent het veld een kracht 'F' uit op de lading. Dit wordt de Lorentzkracht genoemd. De kracht is evenredig met het magnetische veld 'B', de lading 'q' en zijn snelheid 'v', en wordt bepaald door het vectorproduct van de snelheid van de lading en het magnetische veld, vermenigvuldigd met de lading. De kracht wijst daarom in een richting loodrecht op zowel de beweging van de lading als het magnetische veld bepaald door de "rechtshandregel".

Nadat we de basisprincipes van magnetische velden hebben besproken, laten we een eenvoudig experiment uitvoeren om deze magnetische veldlijnen te visualiseren en te demonstreren hoe de Lorentzkracht, uitgeoefend door een gegenereerd magnetisch veld, een parallelle stroomvoerende draad beïnvloedt.

Verzamel de benodigde materialen en instrumenten, namelijk een DC-stroombron, een plastic plaat met verschillende kompasnaalden gemonteerd en een rechte geleidende draad die door het midden ervan loopt, en een permanente staafmagneet.

Bekijk de plastic plaat met een gat in het midden. Deze is gemonteerd met verschillende kompasnaalden rond het middelste gat met behulp van pinnen, zodat de naalden vrij kunnen draaien.

Let ook op dat de geleidende draad door het middelste gat van de plaat wordt geleid. Zorg ervoor dat de draad loodrecht op de plaat staat. Verbind de draad met de DC-stroombron met behulp van kabels met klemmen.

Schakel de stroombron IN en stel de stroombron in op +5 ampère. Observeer het gedrag van de kompasnaalden.

Vervolgens de voeding UIT schakelen en de positieve en negatieve kabels omwisselen. Schakel vervolgens de voeding IN om de richting van de stroom die door de draad stroomt te keren en observeer de kompasnaalden opnieuw.

Nu schakelen UIT en ontkoppel de stroombron en verkrijg een vergelijkbare plastic plaat met magnetische naalden, maar zonder de geleidende draad erdoorheen. Identificeer vervolgens de noordpool van de staafmagneet.

Met de lange as van de staafmagneet evenwijdig aan de plaat, breng de noordpool dichter bij de plaat vanaf de zijkant. Observeer de kompasnaalden op eventuele veranderingen in oriëntatie.

Keerd de staafmagneet nu om zodat de zuidpool dichter bij de plaat komt. Observeer opnieuw de kompasnaalden op eventuele veranderingen in oriëntatie.

Monteer eerst een frame met twee staven, waarvan er één horizontaal loopt langs de bovenkant van het frame en de andere verticaal is die de basis met de eerste staaf verbindt. Bevestig vervolgens of kleef het middengedeelte van de twee lange geleidende draden aan het frame. Laat één uiteinde van beide draden aan het frame hangen zodat de twee draden evenwijdig aan elkaar lopen.

Verbind nu het uiteinde van de twee draden met de schakelaar en de klemmen. Verbind vervolgens de opstelling met een batterij.

Zorg ervoor dat de draden zo zijn aangesloten dat de stroom in beide draden in dezelfde richting stroomt. Draai vervolgens de schakelaar om de batterij aan te sluiten op de geleidende draden.

Observeer de twee draden wanneer de stroom erdoorheen stroomt. Schakel vervolgens de schakelaar UIT om de stroom door de draden te stoppen.

Keer de richting van de schakelaar om om de richting van de stroom door de draden te veranderen. Observeer de twee draden wanneer de stroom AAN staat.

Nu we de protocollen hebben besproken, laten we de resultaten van de uitgevoerde experimenten bekijken.

In het experiment met de kompasnaalden waren de naalden aanvankelijk willekeurig gepositioneerd. Bij het toepassen van de st