Overview
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
I campi magnetici possono essere generati da cariche in movimento, come una corrente elettrica. Il campo magnetico generato da una corrente può essere calcolato dall'equazione di Maxwell. Inoltre, oggetti magnetici come i magneti a barre possono anche generare campi magnetici a causa della dinamica microscopica delle cariche all'interno del materiale. I campi magnetici eserciteranno forza magnetica su altre cariche in movimento o oggetti magnetici, con la forza proporzionale al campo magnetico. I campi magnetici sono fondamentali per l'elettromagnetismo e sono alla base di molte applicazioni pratiche che vanno dalle bussole alla risonanza magnetica.
Questo esperimento dimostrerà i campi magnetici prodotti da una barra magnetica permanente e da una corrente elettrica, utilizzando piccoli magneti ad ago della bussola che si allineano con i campi magnetici. Questo esperimento dimostrerà anche la forza esercitata dai campi magnetici prodotti da una corrente su un altro filo che trasporta corrente.
Principles
I campi magnetici (comunemente indicati come "campi B") possono essere prodotti da cariche mobili (come una corrente elettrica) o "magneti permanenti" (come i comuni magneti a barre) fatti di materiali magnetici (come il ferro). Se si segue la direzione locale del campo magnetico per tracciare le linee del campo vettoriale, queste linee (la cui tangente riflette la direzione locale del campo magnetico e la densità delle linee riflette la forza del campo magnetico locale) sono conosciute come "linee del campo magnetico". Sono linee fittizie che aiutano a visualizzare la distribuzione e la direzione dei campi magnetici.
Ad esempio, un lungo filo dritto che trasporta una corrente elettrica I produrrà un campo magnetico nello spazio circostante: la grandezza del campo magnetico è proporzionale alla corrente I e inversamente proporzionale alla distanza r dal filo; e la direzione del campo magnetico (rappresentato da "linee di campo magnetico") è lungo la direzione tangente circolare attorno al filo (determinata dalla cosiddetta "regola della mano destra", con il pollice che punta lungo la corrente e le dita che si arricciano attorno alla direzione del campo magnetico), raffigurata in Figura 1a. Un solenoide (fatto di molti giri di anelli o bobine di corrente) produrrà un campo magnetico che è anche proporzionale alla corrente nella bobina, e per lo più uniforme e lungo l'asse lungo all'interno del solenoide (determinato anche dalla regola della mano destra, con le dita che si arricciano intorno alla corrente e il pollice che punta lungo il campo magnetico), ma si diffonde e decade al di fuori del solenoide (le linee del campo magnetico torneranno all'altra estremità del solenoide), raffigurato nella Figura 1b. Il modello di campo magnetico prodotto da una barra magnetica è simile a quello di un solenoide, con le linee del campo magnetico che lasciano il polo nord del magnete ed entrano nel polo sud del magnete, come raffigurato nella Figura 1c.
Figura 1: Diagramma che mostra i modelli di campo magnetico (visualizzati dalle linee del campo magnetico) generati da una corrente in linea retta (a), un solenoide (b) e una barra magnetica (c).
Un campo magnetico (B) agirà su altri oggetti magnetici e cariche in movimento. Una piccola barra magnetica (come un ago della bussola) posta in un campo magnetico tenderebbe ad essere allineata con il campo magnetico locale (il che significa che l'asse sud-nord della barra magnetica è lungo la direzione del campo magnetico locale, che è anche il modo in cui l'ago della bussola funziona per rilevare la direzione del campo magnetico terrestre). Un campo magnetico eserciterà una forza di Lorentz su una carica in movimento. La forza è proporzionale al campo magnetico locale (B), alla carica (q) e alla sua velocità (v), e punta in una direzione perpendicolare sia al moto che al campo magnetico. Il vettore di forza di Lorentz (F) è proporzionale al prodotto vettoriale tra v e B ed è dato da:
Pertanto, quando F è zero, la direzione del movimento è parallela al campo magnetico, ma altrimenti piegherebbe la traiettoria del moto della carica. A causa della forza di Lorentz, un campo magnetico esercita anche una forza su un filo che trasporta corrente (purché la corrente non sia parallela alla direzione del campo magnetico).
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Procedure
1. Visualizza le linee del campo magnetico
- Ottenere un segmento di filo conduttore dritto (lungo almeno diversi cm) e una sorgente di corrente CC.
- Ottenere una piastra con un foro nel mezzo e diversi piccoli aghi della bussola sulla piastra, ciascuno montato su un perno e liberamente ruotabile.
- Alimentare il filo conduttore attraverso il foro in modo che la sezione diritta sia perpendicolare alla piastra. Collegare il filo conduttore alla sorgente di corrente CC, come illustrato nella Figura 2a. Il collegamento può essere effettuato da cavi con morsetti.
- Accendere la sorgente di corrente e fornire +5 A di corrente nel filo. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.
- Invertire la corrente a -5 A e osservare nuovamente il comportamento dell'ago della bussola.
- Scollegare e rimuovere il filo conduttore e la sorgente di corrente. Ottenere e portare una barra magnetica permanente con il suo asse lungo parallelo alla scheda, per avvicinarsi alla piastra dal lato, con l'estremità nord del magnete più vicina alla piastra, come mostrato nella Figura 2b. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.
- Capovolgere l'orientamento della barra magnetica, con ora la sua estremità sud più vicina alla piastra. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.
Figura 2: Diagramma che mostra le configurazioni sperimentali utilizzando(a) unacorrente che scorre in un segmento rettilineo di filo che corre perpendicolarmente a una piastra e attraverso il foro centrale sulla piastra; o(b)una barra magnetica portata vicino alla piastra e orientata perpendicolarmente alla piastra, per generare campi magnetici, che orienteranno gli aghi della bussola sulla piastra lungo la direzione dei campi magnetici locali.
2. Effetto del campo magnetico
- Ottenere due fili conduttori lunghi e paralleli ancorati su una struttura, come mostrato nella Figura 3a. Se necessario, si può usare un telaio in legno con due barre parallele (superiore e inferiore) e ancorare o nastro adesivo le due estremità dei fili alle due barre.
- Utilizzare cavi e morsetti per collegare i due fili in serie e alla fonte di alimentazione, con l'estremità superiore di un filo collegata all'estremità inferiore dell'altro filo, come mostrato nella Figura 3a.
- Accendere la fonte di alimentazione in modo che la corrente fluisca nella stessa direzione (scorrendo dall'alto verso il basso) nei due fili. Osservare i due fili quando la corrente è accesa.
- Spegnere e scollegare la fonte di alimentazione, ora ricollegare i due fili in modo tale che ora siano collegati di nuovo in serie alla sorgente, ma con le estremità superiori dei due fili cortocircuitate, come mostrato nella Figura 3b.
- Ora accendi la fonte di alimentazione e osserva che la corrente scorrerà attraverso i due fili in direzioni opposte. Osservate i due fili.
Figura 3: Diagramma che mostra le configurazioni sperimentali di due fili paralleli con corrente che scorre nelle stesse direzioni(a)o opposte(b).
I campi magnetici sono fondamentali per l'elettromagnetismo e sono alla base di molte applicazioni pratiche che vanno dalle bussole alla risonanza magnetica.
I campi magnetici o campi B possono essere generati da cariche in movimento, come una corrente elettrica, o oggetti come i magneti a barre a causa della dinamica microscopica delle cariche all'interno del materiale magnetico.
Questo video illustrerà come visualizzare i campi magnetici prodotti da un conduttore che trasporta corrente e da una barra magnetica permanente. Inoltre, questo video dimostrerà anche la forza esercitata dai campi magnetici prodotti da una corrente su un altro filo che trasporta corrente.
I campi magnetici possono essere visualizzati utilizzando linee di campo magnetico. Queste sono linee fittizie che aiutano a capire la distribuzione e la direzione dei campi magnetici.
La tangente da una linea di campo magnetico riflette la direzione locale del campo magnetico e la densità delle linee rispecchia la forza del campo magnetico locale, che nel caso di una barra magnetica diminuisce man mano che ci allontaniamo dalla sua superficie. Diverse configurazioni di conduttori di corrente producono diverse variazioni nelle distribuzioni del campo magnetico.
Ad esempio, un lungo filo dritto che trasporta una corrente elettrica produce un campo magnetico, la cui direzione, rappresentata dalle "linee del campo magnetico", è lungo la direzione circolare tangente attorno al filo.
Nel caso di una barra magnetica, le linee del campo magnetico lasciano il polo nord del magnete ed entrano nel polo sud del magnete. Questo è simile al modello di campo magnetico prodotto da un solenoide, che è una bobina cilindrica di filo che trasporta corrente.
La direzione del campo magnetico prodotto da una corrente può essere determinata dalla "regola della mano destra". La regola afferma che se il pollice punta lungo la direzione della corrente, le dita che si arricciano attorno al conduttore indicano la direzione del campo magnetico. Pertanto, una barra magnetica, quando viene avvicinata al conduttore, si allinea con il campo magnetico locale generato.
Ora sappiamo che i campi magnetici, prodotti da qualsiasi conduttore o magnete, interagiscono con i materiali magnetici vicini. Inoltre, i campi magnetici generati interagiscono anche con cariche elettriche in movimento, come quelle che si trovano in un secondo conduttore che trasporta corrente.
Quando una carica mobile 'q' viene introdotta in un campo magnetico 'B', il campo esercita una forza 'F' sulla carica. Questa è chiamata forza di Lorentz. La forza è proporzionale al campo magnetico 'B', alla carica 'q' e alla sua velocità 'v', ed è determinata dal prodotto vettoriale della velocità della carica e del campo magnetico, volte la carica. La forza punta quindi in una direzione perpendicolare sia al moto della carica che al campo magnetico determinato dalla "regola del pollice destro".
Dopo aver esaminato le basi dei campi magnetici, eseguiamo un semplice esperimento per visualizzare queste linee di campo magnetico e dimostrare come la forza di Lorentz esercitata da un campo magnetico generato influisce su un filo parallelo che trasporta corrente.
Raccogliere i materiali e gli strumenti necessari, vale a dire una sorgente di corrente continua, una scheda di plastica montata con diversi aghi della bussola e un filo conduttore dritto che passa attraverso il suo centro e una barra magnetica permanente.
Osserva la tavola di plastica con un foro al centro. È montato con diversi aghi della bussola attorno al foro centrale usando perni, in modo tale che gli aghi siano liberi di ruotare.
Si noti inoltre che il filo conduttore viene alimentato attraverso il foro centrale della scheda. Assicurarsi che il filo sia perpendicolare alla scheda. Collegare il filo all'alimentazione di corrente CC utilizzando cavi con morsetti.
Accendere la sorgente di corrente e impostare l'alimentazione di corrente su +5 ampere. Osservare il comportamento degli aghi della bussola.
Quindi, spegnere l'alimentatore e commutare i cavi positivi e negativi. Quindi, accendere l'alimentatore per invertire la direzione della corrente che scorre attraverso il filo e osservare nuovamente gli aghi della bussola.
Ora spegni e scollega l'alimentazione di corrente e ottieni un cartone di plastica simile montato con aghi magnetici, ma senza che il filo conduttore sia alimentato attraverso di esso. Quindi, identificare il polo nord della barra magnetica.
Con l'asse lungo della barra magnetica parallela alla scheda, avvicinare il polo nord alla tavola dal lato. Osservare gli aghi della bussola per qualsiasi cambiamento di orientamento.
Ora capovolgi la barra magnetica in modo tale che il polo sud sia più vicino alla tavola. Ancora una volta, osserva gli aghi della bussola per qualsiasi cambiamento di orientamento.
Per prima cosa assembla un telaio con due barre, una delle quali è orizzontale che corre lungo la parte superiore del telaio e l'altra è verticale che collega la base alla prima barra. Quindi, ancorare o fissare la sezione centrale dei due lunghi fili conduttori al telaio. Penzolare un'estremità di entrambi i fili dal telaio in modo tale che i due fili siano paralleli l'uno all'altro.
Ora, collega l'estremità dei due fili all'interruttore e ai terminali. Quindi collegare la configurazione a una batteria.
Assicurarsi che i fili siano collegati in modo tale che la corrente scorra nella stessa direzione in entrambi i fili. Quindi, capovolgere l'interruttore per collegare la batteria ai fili conduttori.
Osservare i due fili quando la corrente li attraversa. Quindi, spegnere l'interruttore per interrompere il flusso di corrente attraverso i fili.
Invertire la direzione dell'interruttore per cambiare la direzione del flusso di corrente attraverso i fili. Osservare i due fili quando la corrente è ACCESA.
Ora, dopo aver esaminato i protocolli, esaminiamo i risultati degli esperimenti eseguiti.
Nell'esperimento con gli aghi della bussola, inizialmente, gli aghi sono orientati in modo casuale. Con l'applicazione della corrente, gli aghi della bussola si allineano con il campo magnetico locale in uno schema circolare.
Invertendo la direzione della corrente, il campo magnetico locale si inverte, che a sua volta inverte l'orientamento degli aghi della bussola.
Allo stesso modo, quando il polo nord della barra magnetica viene portato vicino agli aghi della bussola, crea un campo magnetico locale e gli aghi della bussola si allineano lungo queste linee del campo magnetico locale.
E quando la barra magnetica viene capovolta, anche la direzione del campo magnetico si inverte, il che inverte l'orientamento degli aghi della bussola.
Nell'esperimento con i due fili lunghi, i fili sono attratti l'uno dall'altro quando la corrente che scorre in essi ha la stessa direzione. Ciò è dovuto alla forza di Lorentz generata dal campo magnetico.
Secondo la regola della mano destra, il filo sinistro produce un campo magnetico, che punta nella direzione perpendicolare al flusso di corrente nel sito del filo destro. Ora, usa l'altra regola della mano destra e posiziona le dita lungo la direzione della corrente e dei campi magnetici. Quindi il pollice esteso dà la direzione della forza di Lorentz. In questo caso, la forza è verso il filo sinistro e quindi attraente.
D'altra parte, quando il flusso di corrente nei due fili è in direzioni opposte l'una all'altra, la regola della mano destra mostra che la direzione della forza di Lorentz nel sito del filo destro è lontana dal filo sinistro, rendendo la forza repulsiva. Pertanto, i due fili vengono spinti a parte.
I campi magnetici si trovano ovunque intorno a noi e sono attualmente utilizzati in applicazioni che vanno dalla navigazione all'ambiente clinico. Diamo ora un'occhiata a un paio di applicazioni comuni dei campi magnetici.
Secoli fa, la dinastia Song della Cina inventò la prima bussola magnetica che veniva utilizzata per la navigazione. Da allora ci siamo affidati alla bussola, che lavora in tandem con il campo magnetico terrestre, per la direzione.
Il polo sud magnetico della terra si trova vicino al suo polo nord geografico. Pertanto, il polo nord magnetico di un ago della bussola si allinea al campo magnetico terrestre e punta verso il nord geografico della terra.
I campi magnetici hanno anche una moltitudine di applicazioni nel campo della medicina e della diagnostica medica. L'uso più comune dei campi magnetici è nella risonanza magnetica o nella risonanza magnetica. Gli scanner MRI utilizzano forti campi magnetici e gradienti di campo per generare immagini dell'interno del corpo.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai campi magnetici. Ora dovresti sapere come visualizzare i campi magnetici usando gli aghi della bussola e capire come la forza di Lorentz di un campo magnetico prodotto da una corrente influisce su un'altra corrente quasi parallela. Grazie per l'attenzione!
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Results
Per i passaggi 1.3-1.4, prima che la corrente venga accesa, gli aghi della bussola sono orientati in modo casuale. Dopo aver acceso la corrente, che scorre nel filo dall'alto verso il basso, gli aghi della bussola si allineeranno con il campo magnetico locale in uno schema circolare, come illustrato nella Figura 4a (vista dall'alto). Dopo aver invertito la corrente, il campo magnetico si inverte, così come gli orientamenti delle bussole, come illustrato nella Figura 4b.
Figura 4: Diagramma che mostra i modelli rappresentativi degli aghi della bussola che rispondono ai campi magnetici indotti dalla corrente (a) quando la corrente è positiva come mostrato nella configurazione mostrata nella Figura 2a, dove la corrente scorre dall'alto verso il basso, e (b) quando la corrente si inverte (ora dal basso verso l'alto).
Per i passaggi 1.6-1.7, gli aghi della bussola si orienteranno lungo i campi magnetici locali creati dalla barra magnetica (il cui modello di campo magnetico è mostrato in Figura 1c). La Figura 5a (e 5b) raffigura il modello rappresentativo degli aghi della bussola quando l'estremità nord (o sud) del magnete è più vicina alla piastra. Si noti che quando la polarità della barra magnetica si inverte, così fa il campo magnetico che crea, e così fanno gli orientamenti di tutti gli aghi della bussola.
Figura 5: Diagramma che mostra i modelli rappresentativi degli aghi della bussola che rispondono ai campi magnetici generati dalla barra magnetica (a) nella configurazione mostrata in Figura 2b, con il polo nord del magnete più vicino alla piastra; e (b) con polarità invertita, con il polo sud del magnete più vicino alla piastra.
Per la Sezione 2, i due fili saranno visti per attirarsi l'un l'altro quando le correnti che scorrono in essi hanno la stessa direzione e si respingono a vicenda quando le correnti in essi hanno direzioni opposte. Ciò è dovuto alla forza di Lorentz del campo magnetico generato da una corrente che agisce sull'altro filo che trasporta corrente. Per la situazione in Figura 3a (le correnti in due fili hanno la stessa direzione), il campo magnetico (B) prodotto dal filo sinistro punta nella pagina nella posizione del filo destro (secondo la regola della mano destra, così come nella Figura 4b), e quindi la forza di Lorentz determinata dal prodotto vettoriale di qv (lungo la direzione corrente) e B punterà a sinistra (quindi attraente). La forza si inverte (puntando a destra, quindi repulsiva) per la situazione in Figura 3b, quando la corrente nel filo destro si inverte (qv si inverte). Le direzioni della forza dovuta al campo magnetico creato dal filo sinistro che agisce sul filo destro sono rappresentate da frecce rosse nella Figura 3.
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Applications and Summary
In questo esperimento, abbiamo visualizzato i campi magnetici usando aghi della bussola che si orientano con il campo magnetico locale. Abbiamo anche dimostrato la forza di Lorentz di un campo magnetico prodotto da una corrente su un'altra corrente quasi parallela.
I campi magnetici svolgono un ruolo importante nella nostra vita quotidiana e nella tecnologia. Sono generati da magneti a barre comunemente usati o "magneti da cucina" e elettromagneti (solenoidi) e vengono utilizzati per raccogliere altri oggetti magnetici. La Terra genera anche un campo magnetico ed è così che un ago della bussola (che si allinea con il campo magnetico locale) viene utilizzato per dire la direzione (si noti il polo sud magnetico della terra come un magnete è in realtà vicino al polo nord geografico, in modo tale che il campo magnetico sulla superficie terrestre punti verso la direzione nord geografica). Anche la risonanza magnetica (MRI), un importante strumento diagnostico in medicina, ha bisogno di un forte campo magnetico per funzionare.
L'autore dell'esperimento riconosce l'assistenza di Gary Hudson per la preparazione del materiale e Chuanhsun Li per aver dimostrato i passaggi del video.
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