Pola magnetyczne

Pola magnetyczne mają fundamentalne znaczenie dla elektromagnetyzmu i leżą u podstaw wielu praktycznych zastosowań, od kompasów po obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego.

Pola magnetyczne lub pola B mogą być generowane przez poruszające się ładunki, takie jak prąd elektryczny, lub obiekty, takie jak magnesy sztabkowe, ze względu na mikroskopijną dynamikę ładunków wewnątrz materiału magnetycznego.

Ten film pokaże, jak wizualizować pola magnetyczne wytwarzane przez przewodnik przewodzący prąd i stały magnes sztabkowy. Co więcej, ten film pokaże również siłę wywieraną przez pola magnetyczne wytwarzane przez prąd wytwarzany przez prąd na innym przewodzie przewodzącym prąd.

Pola magnetyczne można wizualizować za pomocą linii pola magnetycznego. Są to fikcyjne linie, które pomagają zrozumieć rozkład i kierunek pól magnetycznych.

Styczna od linii pola magnetycznego odzwierciedla lokalny kierunek pola magnetycznego, a gęstość linii odzwierciedla siłę lokalnego pola magnetycznego, które w przypadku magnesu sztabkowego maleje w miarę oddalania się od jego powierzchni. Różne konfiguracje przewodników prądowych powodują różne zmiany w rozkładzie pola magnetycznego.

Na przykład, długi prosty drut przenoszący prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, którego kierunek, reprezentowany przez "linie pola magnetycznego", przebiega wzdłuż kołowego kierunku stycznego wokół drutu.

W przypadku magnesu sztabkowego linie pola magnetycznego opuszczają północny biegun magnesu i wchodzą w południowy biegun magnesu. Jest to podobne do wzorca pola magnetycznego wytwarzanego przez elektrozawór, który jest cylindryczną cewką drutu, która przewodzi prąd.

Kierunek pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd może być wyznaczony przez "regułę prawej ręki". Reguła mówi, że jeśli kciuk wskazuje wzdłuż kierunku prądu, palce zwijające się wokół przewodnika wskazują kierunek pola magnetycznego. W ten sposób magnes sztabkowy, po zbliżeniu do przewodnika, wyrównuje się z generowanym lokalnym polem magnetycznym.

Teraz wiemy, że pola magnetyczne, wytwarzane przez dowolny przewodnik lub magnes, oddziałują z pobliskimi materiałami magnetycznymi. Dodatkowo generowane pola magnetyczne oddziałują również z poruszającymi się ładunkami elektrycznymi, takimi jak te, które znajdują się w drugim przewodniku przewodzącym prąd.

Kiedy poruszający się ładunek "q" jest wprowadzany do pola magnetycznego "B", pole wywiera siłę "F" na ładunek. Nazywa się to siłą Lorentza. Siła jest proporcjonalna do pola magnetycznego "B", ładunku "q" i jego prędkości "v" i jest określona przez iloczyn wektorowy prędkości ładunku i pola magnetycznego, pomnożonego przez ładunek. Siła skierowana jest zatem w kierunku prostopadłym zarówno do ruchu ładunku, jak i pola magnetycznego wyznaczonego przez "regułę kciuka prawej ręki".

Po zapoznaniu się z podstawami pól magnetycznych, przeprowadźmy prosty eksperyment, aby zobrazować te linie pola magnetycznego i zademonstrować, jak siła Lorentza wywierana przez generowane pole magnetyczne wpływa na równoległy przewód przewodzący prąd.

Zbierz niezbędne materiały i instrumenty, a mianowicie źródło prądu stałego, plastikową tablicę zamontowaną z kilkoma igłami kompasu i prostym drutem przewodzącym przechodzącym przez jej środek oraz trwały magnes sztabkowy.

Obserwuj plastikową tablicę z otworem w środku. Jest zamontowany za pomocą kilku igieł kompasu wokół środkowego otworu za pomocą szpilek, dzięki czemu igły mogą się swobodnie obracać.

Należy również pamiętać, że drut przewodzący jest prowadzony przez środkowy otwór płyty. Upewnij się, że drut jest prostopadły do płyty. Podłącz przewód do źródła prądu stałego za pomocą kabli z zaciskami.

Włącz źródło prądu i ustaw zasilanie prądem na +5 amperów. Obserwuj zachowanie igieł kompasu.

Następnie wyłącz zasilanie i zamień kable dodatni i ujemny. Następnie włącz zasilanie, aby odwrócić kierunek prądu przepływającego przez przewód i ponownie obserwuj igły kompasu.

Teraz wyłącz i odłącz zasilanie prądem i uzyskaj podobną plastikową płytkę zamontowaną za pomocą igieł magnetycznych, ale bez poprowadzonego przez nią przewodu przewodzącego. Następnie zidentyfikuj północny biegun magnesu sztabkowego.

Trzymając długą oś magnesu sztabkowego równolegle do deski, zbliż biegun północny do deski z boku. Obserwuj igły kompasu pod kątem zmiany orientacji.

Teraz odwróć magnes sztabkowy tak, aby biegun południowy znajdował się bliżej planszy. Jeszcze raz obserwuj igły kompasu pod kątem zmian orientacji.

Najpierw zmontuj ramę z dwoma prętami, jeden z nich jest poziomy - biegnący wzdłuż górnej części ramy, a drugi jest pionowy, który łączy podstawę z pierwszym prętem. Następnie zakotwicz lub przyklej środkową część dwóch długich drutów przewodzących do ramy. Zwisaj jednym końcem obu drutów z ramy tak, aby dwa druty były do siebie równoległe.

Teraz podłącz koniec dwóch przewodów do przełącznika i zacisków. Następnie podłącz konfigurację do akumulatora.

Upewnij się, że przewody są połączone w taki sposób, aby prąd płynął w tym samym kierunku w obu przewodach. Następnie przestaw przełącznik, aby podłączyć akumulator do przewodów przewodzących.

Obserwuj dwa przewody, gdy przepływa przez nie prąd. Następnie wyłącz przełącznik, aby zatrzymać przepływ prądu przez przewody.

Odwróć kierunek przełącznika, aby zmienić kierunek przepływu prądu przez przewody. Obserwuj dwa przewody, gdy prąd jest włączony.

Teraz, po przejrzeniu protokołów, przejrzyjmy wyniki przeprowadzonych eksperymentów.

W eksperymencie z igłami kompasu początkowo igły są zorientowane losowo. Po przyłożeniu prądu igły kompasu ustawiają się w jednej linii z lokalnym polem magnetycznym w okrągły wzór.

Po odwróceniu kierunku prądu, lokalne pole magnetyczne odwraca się, co z kolei odwraca orientację igieł kompasu.

Podobnie, gdy północny biegun magnesu sztabkowego zbliży się do igieł kompasu, wytwarza lokalne pole magnetyczne, a igły kompasu ustawiają się wzdłuż tych lokalnych linii pola magnetycznego.

A kiedy magnes sztabkowy jest odwrócony, kierunek pola magnetycznego również się odwraca, co odwraca orientację igieł kompasu.

W eksperymencie z dwoma długimi drutami przewody są przyciągane do siebie, gdy płynący w nich prąd ma ten sam kierunek. Dzieje się tak z powodu siły Lorentza generowanej przez pole magnetyczne.

Zgodnie z regułą prawej ręki lewy przewód wytwarza pole magnetyczne, które wskazuje kierunek prostopadły do przepływu prądu w miejscu prawego przewodu. Teraz użyj drugiej reguły prawej ręki i połóż palce wzdłuż kierunku prądu i pól magnetycznych. Następnie wyprostowany kciuk wskazuje kierunek siły Lorentza. W tym przypadku siła jest skierowana w stronę lewego przewodu, a zatem atrakcyjna.

Z drugiej strony, gdy przepływ prądu w dwóch przewodach jest w przeciwnych kierunkach do siebie, reguła prawej ręki pokazuje, że kierunek siły Lorentza w miejscu prawego przewodu jest oddalony od lewego drutu, co sprawia, że siła jest odpychająca. Dlatego dwa przewody są rozsuwane.

Pola magnetyczne znajdują się wszędzie wokół nas i są obecnie wykorzystywane w różnych zastosowaniach, od nawigacji po środowisko kliniczne. Przyjrzyjmy się teraz kilku powszechnym zastosowaniom pól magnetycznych.

Wieki temu chińska dynastia Song wynalazła pierwszy kompas magnetyczny, który był używany do nawigacji. Od tego czasu polegamy na kompasie, który działa w parze z polem magnetycznym Ziemi, jeśli chodzi o kierunek.

Magnetyczny biegun południowy Ziemi znajduje się w pobliżu jej geograficznego bieguna północnego. W ten sposób magnetyczny biegun północny igły kompasu wyrównuje się z polem magnetycznym Ziemi i wskazuje na geograficzną północ Ziemi.

Pola magnetyczne mają również mnogość zastosowań w dziedzinie medycyny i diagnostyki medycznej. Najczęstszym zastosowaniem pól magnetycznych jest rezonans magnetyczny lub rezonans magnetyczny. Skanery MRI wykorzystują silne pola magnetyczne i gradienty pola do generowania obrazów wnętrza ciała.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do pól magnetycznych. Powinieneś teraz wiedzieć, jak wizualizować pola magnetyczne za pomocą igieł kompasu i rozumieć, w jaki sposób siła Lorentza pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd wpływa na inny prawie równoległy prąd. Dzięki za oglądanie!