磁場

Physics II

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Overview

ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ

磁場は、動いている電荷、電流などによって生成できます。電流によって生じる磁場は、マクスウェルの方程式から計算できます。さらに、棒磁石など磁気オブジェクトも料金材料内部の微視的運動によって磁場を生成できます。磁場は、他の移動料金または磁界に比例した力が、磁気オブジェクトに磁気力が発揮されます。磁気フィールドは電磁気学の基本、コンパスから磁気共鳴イメージ投射に至るまで多くの実用的なアプリケーションの根底にあります。

この実験は磁石と電流、磁場に沿った小さなコンパスの針の永久磁石を用いたバー永久磁界を示します。この実験はまた別の通電ワイヤの電流の磁界によって加えられた力を示します。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学の基礎 II. 磁場. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

(電流) などの料金や「永久磁石」を移動することによって磁気フィールド ("B フィールド"とも呼ばれます) を作り出すことができる (共通などバー磁石) (鉄) などの磁性材料で作られました。ローカル magnetic field の方向をベクトル フィールド行をトレース、次 1 つ場合 (タンジェント反映ローカル磁界方向と線の密度が局所磁場の強さを反映する) これらの行は、「磁力線」と呼ばれます。分布と磁場の方向を視覚化に役立つ架空の線です。

たとえば、長いストレート ワイヤ、電気現在を運ぶ周辺の空間内に磁界が生成されます: 磁場の大きさは、現在のに比例して、線からの距離 r に反比例します。(「磁力線」で表される) 磁場方向は (いわゆる「右手の法則」親指の指すと、電流と磁場の方向の周りカーリング指に沿ってによって決まります) ワイヤーのまわり円の接線方向に沿って描かれている図 1 aで。また、コイルの電流に比例してほとんど制服 (も電流と磁界に沿ってポイントしている親指の周りカーリングの指で右手の法則により決定する) ソレノイド内部長い軸が広がっていると外 (ソレノイドのもう一方の端には磁力線が戻ります) の電磁崩壊、磁場が生成されます (現在のループまたはコイルの多くのターン製) ソレノイド、図 1 bに示されています。バーによって生成された磁場パターン磁石は磁石の北極に出入り、磁石の南極図 1 cに示すように磁力線と、ソレノイドによって類似しています。

Figure 1

図 1:磁界のパターン (磁力線によって視覚化される) 直線電流 ()、(b)、ソレノイド、バーによって生成されたを示す図磁石 (c)。

磁界 (B) は、他の磁気オブジェクト、移動料金いただきます。小さなバー局所磁場に一直線に並びがちである磁界中に配置された磁石 (コンパスの針) など (南北軸を意味バーの磁石はコンパスの針は地球の磁場の方向を検出するしくみでもあるローカル磁気フィールドの方向に沿って)。磁気動いて充電でローレンツ力を発揮します。力ローカル磁界 (B)、電荷量 (q)、速度 (v) に比例し、運動と磁場の両方に対して垂直な方向を指します。ローレンツ力ベクトル (F) は v と B の間のベクトルの積に比例し、によって与えられます。

Equation 1

したがって、F がゼロのとき動きの方向は磁場に平行な電荷の運動の軌道を曲げるだろうそれ以外の場合。ローレンツ力のため (限り、電流は磁場の方向に平行ではない) 磁場は現在運送ワイヤーの力も発揮します。

Procedure

<>

1. 磁力線を可視化します。

  1. 直線導線 (少なくとも数センチ) のセグメントと DC 電流源を取得します。
  2. 中高それぞれのピンに、自由に回転可能なマウント プレート上いくつかの小さなコンパスの針の穴とプレートを取得します。
  3. 直線部はプレートに対して垂直なので、スルーホール線状導体をフィードします。図 2 aに示すように、DC 電流源に線状導体を接続します。ケーブルのクランプで接続が可能します。
  4. 現在のソースをオンにし、+5 A のワイヤーに電流を供給します。コンパスの針の動作を観察します。
  5. 逆に現在の −5 に、コンパスの針の動作を再度確認します。
  6. 外し、線状導体と電流源。取得し、永続的なをもたらす図 2 bに示すように、基板に平行その長い軸に磁石をプレートに近い磁石の北の端、側面からのアプローチ プレートにバーします。コンパスの針の動作を観察します。
  7. バーの向きを反転と今のマグネット プレートに近い南終わり。コンパスの針の動作を観察します。

Figure 2

図 2:; プレートにプレートと中央の穴を垂直実行する線の直線セグメントに流れる電流 () を使用して実験のセットアップを示す図または (b) バー磁石プレートに近づけるし、地元の磁場の方向に沿ってプレート コンパスの針の向きが磁場を生成するため、板に垂直を指向します。

2 磁場の影響

  1. 長いと並列図 3aに示すように、フレームワークに固定線を導電性の二つを取得します。必要な場合、1 つ 2 つの平行棒 (上部と下部) とアンカーと木製フレームを使用したり、2 つのバーにワイヤーの両端をテープします。
  2. 図 3 aに示すように、他のワイヤの下端に接続されている 1 つのワイヤの先端とシリーズで、動力源を 2 本のワイヤを接続するのにケーブルとクランプを使用します。
  3. 2 本のワイヤで同じ方向 (上から下へ流れる) に電流が流れますので、電源をオンに。現在は 2 本のワイヤを確認します。
  4. オフにする電源を切断、今彼ら今再び直列に接続、ソースがショート、2 本のワイヤの先端、図 3bに示すように、2 つのケーブルを接続します。
  5. 今電源をオンにし、現在通過反対方向に 2 本のワイヤを確認します。2 本のワイヤを観察します。

Figure 3

図 3: 同じ () または (b) の方向の反対側を流れる電流と 2 つの平行導線の実験のセットアップを示す図。

磁気フィールドは電磁気学の基本、コンパスから磁気共鳴イメージ投射に至るまで多くの実用的なアプリケーションの根底にあります。

磁界または B フィールドは、動いている電荷、電流など磁性材料中料金の顕微鏡的ダイナミクスによる磁石バーなどのオブジェクトによって生成できます。

このビデオは磁場通電導体と恒久的なプロデュースを視覚化する方法を示します磁石。また、このビデオはまた別の通電ワイヤの電流の磁界によって加えられた力を示します。

磁場は、磁力線を用いて可視化することができます。これらは、分布と磁場の方向を理解するため架空の線です。

磁力線からタンジェントでは磁気フィールドのローカル方向と線ミラーの密度バーの場合マグネット減少とその表面から移動する局所磁場の強さを反映しています。現在さまざまな導体構成は、磁界分布のさまざまなバリエーションを生成します。

たとえば、長い直線電流を運ぶワイヤーのまわりの円の接線方向に沿って「磁力線」で表される、その方向が磁場を生成します。

場合、磁石で、磁力線は磁石の北極を残すし、磁石の南極を入力します。これは電流を流すは、ワイヤの円筒コイル、ソレノイドによって生成された磁場パターンに似ています。

電流がつくる磁界の方向は、「右手の法則」によって決定することができます。ルールは、親指が電流の方向に沿ってポイントしている場合、導体の周りカーリング指磁場の方向を示す状態します。したがって、バー磁石、指揮者に近づけるとき生成された局所磁場に合わせます。

今我々 は導体や磁石、によって作り出される磁界が近くの磁性材料と対話する知っています。さらに、生成された磁場はまた第 2 現在運送コンダクターで見つけられるそれらのような電荷の移動と対話します。

磁気フィールド 'B' に移動電荷量 'q' を導入すると、フィールドは充電の力 'F' を発揮します。これをローレンツの力と呼びます。力は磁場 'B'、'q' の電荷と 'v'、速度に比例しているし、残量と磁場、電荷の速度のベクトルの積によって決定されます。したがって料金と「右手の親指のルール」による磁界の両方動きに対して垂直方向のポイントの力。

これらの磁力線を可視化し、生成された磁場によるローレンツ力が平行通電ワイヤーをどのように影響するかを示す簡単な実験を実行お知らせ磁場の基本を確認し、します。

収集いくつかのコンパスの針とそのセンターと恒久的な通過直線導線搭載必要な材料・機器、すなわち、DC 電流源、プラ板磁石。

中心の穴にプラ板を観察します。それは針が自由に回転するようにピンを使用して中央の穴の周りいくつかのコンパスの針でマウントされます。

また、導線がボードの中央の穴を介して供給されることに注意してください。線が基板に垂直であることを確認します。クランプをケーブルを使用して DC の電流供給にワイヤを接続します。

現在のソースとセット +5 アンペアの電源を入れます。コンパスの針の動作を観察します。

次に、電源を切り、プラスとマイナスのケーブルをスイッチします。ワイヤを流れる電流の方向を逆にする電源をオンにし、コンパスの針を再度確認します。

今オフ電流供給を切断し、それを介して供給される導電性ワイヤーなしが、磁気針でのマウントと同様プラスチック ボードを入手します。次に、バーの北極を識別する磁石。

バーの長い軸を基板に平行に磁石側から基板に近い北極をもたらします。コンパスの針の向きの変更を確認します。

今フリップ バー磁石、南極がボードに近い。もう一度、向きの変更をコンパスの針を観察します。

最初 2 つのバーを持つフレームを組み立て、水平フレームの上部に沿って実行しているそれらの 1 つは、他の最初のバーにベースを接続する縦です。次に、アンカーまたはテープの 2 つの長い導電性ワイヤ フレームを半ばセクション。2 線が互いに平行になるようにフレームから両方のワイヤの一端をちらつかせます。

今、スイッチと端子に 2 本のワイヤの端を接続します。セットアップをバッテリーに接続します。

ワイヤの両方で同じ方向に電流が流れるように配線が接続されていることを確認します。その後、導電性の配線にバッテリを接続するスイッチを入れます。

現在はそれらを通過するときは、2 本のワイヤを観察します。次に、配線を流れる電流の流れが停止するスイッチをオフにします。

ワイヤを介して現在の流れの方向を変更するためにスイッチの方向を反転します。電流が ON のときは、2 本のワイヤを観察します。

プロトコルを確認し今の実験結果を確認しましょう。

最初は、コンパスの針で実験、針がランダム配向と。現在のアプリケーションでコンパスの針は円形のパターンのローカル magnetic field と自分自身を合わせます。

電流の方向を逆に局所磁場を反転、順番コンパスの針の向きを逆にします。

同様に、バーの北極磁石に近づけるコンパスの針、局所磁場を作成し、コンパスの針がこれらの局所磁場の線に沿って整列します。

バー磁石を反転、magnetic field の方向も反転、コンパスの針の向きを逆にします。

実験で 2 本の長いワイヤ、ワイヤはお互いに惹かれ同じ方向に流れる電流が。これは磁場によるローレンツ力のためです。

右手の法則に従って左の線は右のワイヤーのサイトで現在の流れに垂直な方向で指す磁場を生成します。今、右手の法則を使用し、電流と磁場の方向に沿って指を配置します。拡張親指ローレンツ力の方向性を示します。この場合、力は左の線に向かって、このように魅力的です。

その一方で、2 本のワイヤの電流の流れは、互いに反対の方向では、ローレンツの方向を強制的に右線サイトで右手規則ショーが反発力を作る左の線からです。したがって、2 本のワイヤは、離れてプッシュされます。

磁場がいたるところに私たちの周りとナビゲーションから臨床の現場に至るまでのアプリケーションで現在使用されています。磁場の一般的なアプリケーションのいくつかを見てみましょう。

何世紀も前、中国の宋王朝は、ナビゲーションのために使用された最初の磁気コンパスを発明しました。それ以来、私たちは、地球の磁場とタンデムで働く、コンパスの方向に頼ってきました。

地球の磁気南極は、その地理的な北極近くにあります。つまり、コンパスの針の磁北極は地球の磁場に揃えます、地球の地理的な北を指しています。

磁場も医学と医療診断の分野で多数のアプリケーションがあります。磁気フィールドの最も一般的な用途は、磁気共鳴イメージングや MRI です。MRI スキャナーは、体の内部の画像を生成するのに強力な磁場と磁場勾配を使用します。

磁場のゼウスの概要を見てきただけ。今、コンパスの針を用いた磁場を可視化して電流がつくる磁界のローレンツ力が別のほぼ平行電流に与える影響を理解する方法を知っている必要があります。見てくれてありがとう!

Results

手順 1.3 から 1.4 の前に現在がオン、コンパスの針、指向ランダムに。上部から下部にワイヤーで流れる電流の切り替え後コンパス針自分自身をします合わせます円形パターンの局所磁場を図 4 a (平面図) で表した。図 4 bに示されているように、コンパスの向き、電流を逆に磁場、反転します。

Figure 4
図 4: 図の電流誘起磁場 () 現在は図 2 a、上から下、および (b) (下上から) から今現在反転時に電流に示すセットアップのように肯定的なときに応答してコンパスの針の代表的なパターンを示します。

手順については 1.6 から 1.7、コンパスの針はバーによって作成された地元の磁場に沿って彼ら自身を方向づける、磁石 (磁気フィールド パターンを持つは図 1 の cに示すように)。図 5a(および 5 b)、磁石の北 (か南) 最後はプレートに近いときにコンパスの針の代表的なパターンを示しています。ただし、バーの極性磁石反転、ので磁場を作成するには、すべて磁石の針の向きも 。

Figure 5
図 5: バーによって生成された磁場に応答してコンパスの針の代表的なパターンを示す図図 2 bと、プレートに近い磁石の北極に示すセットアップの磁石 ()(b) のプレートに近い磁石の南極での極性が反転します。

セクション 2、2 本のワイヤに流れる電流が同じ方向を互いに引き付けるために見られる、それらの電流が逆方向にしたら互いに反発します。これは通電ワイヤに 1 つ現在作用によって生成された磁場のローレンツ力のためです。図 3 aの状態のため (同じ方向がある 2 つの線の電流)、左のワイヤーがつくる磁界 (B) は (右手の法則によるとだけでなく、図 4 b)、右の線の位置にあるページを指す、したがってローレンツ力 qv (現在方向) と B のベクトルの積によって決定される (従って魅力的な) の左を指します。力逆 (右側を指して、このように反発)図 3 b、右のワイヤーに電流を反転するときの状況 (qv 逆)。左のワイヤーを右の線に作用によって作成される magnetic field のため力の方向は、図 3の赤の矢印で描かれます。

Applications and Summary

この実験では、磁場を方向づけるコンパスの針を用いた局所磁場可視化います。また、別のほぼ平行電流に電流がつくる磁界のローレンツ力を示した。

磁場は、私たちの毎日の生活とテクノロジにおける重要な役割を果たします。彼らは一般的に磁石または電磁石 (ソレノイド) と同様、「台所磁石」バー使用によって生成される、他の磁気オブジェクトをピックアップして使用されます。地球がまた磁場を生成する、(これは局所磁場に合わせます) コンパスの針を使用して、方向 (磁石としての地球の磁気南極は、実際に地理的な北極近くに地球表面の磁場を地理的北方向に指すように注意してください) に伝えます。磁気共鳴画像 (MRI)、医学では、重要な診断ツールは、動作するように強力な磁場を必要があります。

実験の著者は、材料準備のためゲイリー ハドソンとビデオの手順を示すため Chuanhsun Li の支援を認めています。

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1. 磁力線を可視化します。

  1. 直線導線 (少なくとも数センチ) のセグメントと DC 電流源を取得します。
  2. 中高それぞれのピンに、自由に回転可能なマウント プレート上いくつかの小さなコンパスの針の穴とプレートを取得します。
  3. 直線部はプレートに対して垂直なので、スルーホール線状導体をフィードします。図 2 aに示すように、DC 電流源に線状導体を接続します。ケーブルのクランプで接続が可能します。
  4. 現在のソースをオンにし、+5 A のワイヤーに電流を供給します。コンパスの針の動作を観察します。
  5. 逆に現在の −5 に、コンパスの針の動作を再度確認します。
  6. 外し、線状導体と電流源。取得し、永続的なをもたらす図 2 bに示すように、基板に平行その長い軸に磁石をプレートに近い磁石の北の端、側面からのアプローチ プレートにバーします。コンパスの針の動作を観察します。
  7. バーの向きを反転と今のマグネット プレートに近い南終わり。コンパスの針の動作を観察します。

Figure 2

図 2:; プレートにプレートと中央の穴を垂直実行する線の直線セグメントに流れる電流 () を使用して実験のセットアップを示す図または (b) バー磁石プレートに近づけるし、地元の磁場の方向に沿ってプレート コンパスの針の向きが磁場を生成するため、板に垂直を指向します。

2 磁場の影響

  1. 長いと並列図 3aに示すように、フレームワークに固定線を導電性の二つを取得します。必要な場合、1 つ 2 つの平行棒 (上部と下部) とアンカーと木製フレームを使用したり、2 つのバーにワイヤーの両端をテープします。
  2. 図 3 aに示すように、他のワイヤの下端に接続されている 1 つのワイヤの先端とシリーズで、動力源を 2 本のワイヤを接続するのにケーブルとクランプを使用します。
  3. 2 本のワイヤで同じ方向 (上から下へ流れる) に電流が流れますので、電源をオンに。現在は 2 本のワイヤを確認します。
  4. オフにする電源を切断、今彼ら今再び直列に接続、ソースがショート、2 本のワイヤの先端、図 3bに示すように、2 つのケーブルを接続します。
  5. 今電源をオンにし、現在通過反対方向に 2 本のワイヤを確認します。2 本のワイヤを観察します。

Figure 3

図 3: 同じ () または (b) の方向の反対側を流れる電流と 2 つの平行導線の実験のセットアップを示す図。

磁気フィールドは電磁気学の基本、コンパスから磁気共鳴イメージ投射に至るまで多くの実用的なアプリケーションの根底にあります。

磁界または B フィールドは、動いている電荷、電流など磁性材料中料金の顕微鏡的ダイナミクスによる磁石バーなどのオブジェクトによって生成できます。

このビデオは磁場通電導体と恒久的なプロデュースを視覚化する方法を示します磁石。また、このビデオはまた別の通電ワイヤの電流の磁界によって加えられた力を示します。

磁場は、磁力線を用いて可視化することができます。これらは、分布と磁場の方向を理解するため架空の線です。

磁力線からタンジェントでは磁気フィールドのローカル方向と線ミラーの密度バーの場合マグネット減少とその表面から移動する局所磁場の強さを反映しています。現在さまざまな導体構成は、磁界分布のさまざまなバリエーションを生成します。

たとえば、長い直線電流を運ぶワイヤーのまわりの円の接線方向に沿って「磁力線」で表される、その方向が磁場を生成します。

場合、磁石で、磁力線は磁石の北極を残すし、磁石の南極を入力します。これは電流を流すは、ワイヤの円筒コイル、ソレノイドによって生成された磁場パターンに似ています。

電流がつくる磁界の方向は、「右手の法則」によって決定することができます。ルールは、親指が電流の方向に沿ってポイントしている場合、導体の周りカーリング指磁場の方向を示す状態します。したがって、バー磁石、指揮者に近づけるとき生成された局所磁場に合わせます。

今我々 は導体や磁石、によって作り出される磁界が近くの磁性材料と対話する知っています。さらに、生成された磁場はまた第 2 現在運送コンダクターで見つけられるそれらのような電荷の移動と対話します。

磁気フィールド 'B' に移動電荷量 'q' を導入すると、フィールドは充電の力 'F' を発揮します。これをローレンツの力と呼びます。力は磁場 'B'、'q' の電荷と 'v'、速度に比例しているし、残量と磁場、電荷の速度のベクトルの積によって決定されます。したがって料金と「右手の親指のルール」による磁界の両方動きに対して垂直方向のポイントの力。

これらの磁力線を可視化し、生成された磁場によるローレンツ力が平行通電ワイヤーをどのように影響するかを示す簡単な実験を実行お知らせ磁場の基本を確認し、します。

収集いくつかのコンパスの針とそのセンターと恒久的な通過直線導線搭載必要な材料・機器、すなわち、DC 電流源、プラ板磁石。

中心の穴にプラ板を観察します。それは針が自由に回転するようにピンを使用して中央の穴の周りいくつかのコンパスの針でマウントされます。

また、導線がボードの中央の穴を介して供給されることに注意してください。線が基板に垂直であることを確認します。クランプをケーブルを使用して DC の電流供給にワイヤを接続します。

現在のソースとセット +5 アンペアの電源を入れます。コンパスの針の動作を観察します。

次に、電源を切り、プラスとマイナスのケーブルをスイッチします。ワイヤを流れる電流の方向を逆にする電源をオンにし、コンパスの針を再度確認します。

今オフ電流供給を切断し、それを介して供給される導電性ワイヤーなしが、磁気針でのマウントと同様プラスチック ボードを入手します。次に、バーの北極を識別する磁石。

バーの長い軸を基板に平行に磁石側から基板に近い北極をもたらします。コンパスの針の向きの変更を確認します。

今フリップ バー磁石、南極がボードに近い。もう一度、向きの変更をコンパスの針を観察します。

最初 2 つのバーを持つフレームを組み立て、水平フレームの上部に沿って実行しているそれらの 1 つは、他の最初のバーにベースを接続する縦です。次に、アンカーまたはテープの 2 つの長い導電性ワイヤ フレームを半ばセクション。2 線が互いに平行になるようにフレームから両方のワイヤの一端をちらつかせます。

今、スイッチと端子に 2 本のワイヤの端を接続します。セットアップをバッテリーに接続します。

ワイヤの両方で同じ方向に電流が流れるように配線が接続されていることを確認します。その後、導電性の配線にバッテリを接続するスイッチを入れます。

現在はそれらを通過するときは、2 本のワイヤを観察します。次に、配線を流れる電流の流れが停止するスイッチをオフにします。

ワイヤを介して現在の流れの方向を変更するためにスイッチの方向を反転します。電流が ON のときは、2 本のワイヤを観察します。

プロトコルを確認し今の実験結果を確認しましょう。

最初は、コンパスの針で実験、針がランダム配向と。現在のアプリケーションでコンパスの針は円形のパターンのローカル magnetic field と自分自身を合わせます。

電流の方向を逆に局所磁場を反転、順番コンパスの針の向きを逆にします。

同様に、バーの北極磁石に近づけるコンパスの針、局所磁場を作成し、コンパスの針がこれらの局所磁場の線に沿って整列します。

バー磁石を反転、magnetic field の方向も反転、コンパスの針の向きを逆にします。

実験で 2 本の長いワイヤ、ワイヤはお互いに惹かれ同じ方向に流れる電流が。これは磁場によるローレンツ力のためです。

右手の法則に従って左の線は右のワイヤーのサイトで現在の流れに垂直な方向で指す磁場を生成します。今、右手の法則を使用し、電流と磁場の方向に沿って指を配置します。拡張親指ローレンツ力の方向性を示します。この場合、力は左の線に向かって、このように魅力的です。

その一方で、2 本のワイヤの電流の流れは、互いに反対の方向では、ローレンツの方向を強制的に右線サイトで右手規則ショーが反発力を作る左の線からです。したがって、2 本のワイヤは、離れてプッシュされます。

磁場がいたるところに私たちの周りとナビゲーションから臨床の現場に至るまでのアプリケーションで現在使用されています。磁場の一般的なアプリケーションのいくつかを見てみましょう。

何世紀も前、中国の宋王朝は、ナビゲーションのために使用された最初の磁気コンパスを発明しました。それ以来、私たちは、地球の磁場とタンデムで働く、コンパスの方向に頼ってきました。

地球の磁気南極は、その地理的な北極近くにあります。つまり、コンパスの針の磁北極は地球の磁場に揃えます、地球の地理的な北を指しています。

磁場も医学と医療診断の分野で多数のアプリケーションがあります。磁気フィールドの最も一般的な用途は、磁気共鳴イメージングや MRI です。MRI スキャナーは、体の内部の画像を生成するのに強力な磁場と磁場勾配を使用します。

磁場のゼウスの概要を見てきただけ。今、コンパスの針を用いた磁場を可視化して電流がつくる磁界のローレンツ力が別のほぼ平行電流に与える影響を理解する方法を知っている必要があります。見てくれてありがとう!

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