자기장

자기장(일반적으로 "B 필드"라고 함)은 자기 물질(예: 철)으로 만들어진 전하(예: 전류) 또는 "영구 자석"(예: 일반 막대 자석)을 이동하여 생성될 수 있습니다. 자기장의 로컬 방향을 따라 벡터 필드 라인을 추적하는 경우, 이러한 선(접선은 자기장의 로컬 방향을 반영하고, 선의 밀도가 로컬 자기장의 강도를 반영함)를 "자기장 선"으로 알려져 있다. 자기장의 분포와 방향을 시각화하는 데 도움이 되는 가상의 선입니다.

예를 들어, 전류를 운반하는 긴 직선 와이어나는 주변 공간에서 자기장을 생성합니다: 자기장의 크기는 전류 I에 비례하고 와이어로부터의 거리 r에 반비례한다; 자기장의 방향("자기장 선"으로 표현됨)은 와이어 주위의 원형 접선 방향을 따라(소위 "오른손 규칙"에 의해 결정됨), 엄지 손가락이 전류를 따라 가리키는 것으로, 손가락이 자기장 방향으로 컬링됨)은 도 1a에묘사되어 있다. 솔레노이드(현재 루프 또는 코일의 많은 회전으로 만들어진)는 코일의 전류에 비례하는 자기장을 생성하며, 그리고 대부분 균일하고 솔레노이드 내부의 긴 축을 따라 (또한 오른쪽 규칙에 의해 결정, 자기장을 따라 가리키는 전류와 엄지 손가락 주위에 컬링 손가락), 하지만 확산 및 솔레노이드 외부 부패 (자기장 라인은 솔레노이드의 다른 끝으로 돌아갑니다), 도 1b에묘사. 바 자석에 의해 생성 된 자기장 패턴은 자각선이 자석의 북극을 떠나 자석의 남극으로 들어가는 솔레노이드에 의해 그와 유사합니다.

그림 1: 직선전류(a),솔레노이드(b) 및 바 자석(c)에 의해생성된 자기장 패턴(자기장 선에 의해 시각화됨)을 보여주는 다이어그램.

자기장(B)은 다른 자기 물체와 이동 전하에 따라 작동합니다. 자기장에 놓인 작은 바 자석(나침반 바늘)은 로컬 자기장과 정렬되는 경향이 있습니다(바 자석의 남쪽-북쪽 축은 로컬 자기장의 방향을 따라, 나침반 바늘이 지구의 자기장의 방향을 감지하는 방식). 자기장은 이동 전하에 로렌츠의 힘을 발휘합니다. 힘은 국소 자기장(B), 전하(q), 속도(v)에 비례하며, 운동과 자기장 모두에 수직방향으로 가리킨다. Lorentz 힘 벡터(F)는 v와 B 사이의 벡터 제품에 비례하며 다음을 제공합니다.

따라서 F가 0이면 운동 방향이 자기장과 평행하지만 그렇지 않으면 전하의 모션 궤적을 구부립니다. Lorentz 힘 때문에 자기장은 전류가 자기장의 방향과 평행하지 않은 한 전류 운반 와이어에 힘을 발휘합니다.

1. 자기장 선 시각화

1. 직선 전도 와이어(최소 몇 cm 길이)와 DC 전류 소스세그먼트를 가져옵니다.
2. 중간에 구멍이 뚫린 접시와 접시에 여러 개의 작은 나침반 바늘이 있는 접시를 얻고, 각각 핀에 장착되어 자유롭게 회전할 수 있습니다.
3. 직선 단면이 플레이트에 수직이 되도록 구멍을 통해 전도 와이어를 공급합니다. 도 2a에도시된 대로 전도 선을 DC 전류 소스에 연결합니다. 클램프가 있는 케이블로 연결할 수 있습니다.
4. 와이어에서 전류 소스를 켜고 공급 +5 A의 와이어. 나침반 바늘의 동작을 관찰한다.
5. 전류를 -5 A로 되돌리고 나침반 바늘의 동작을 다시 관찰합니다.
6. 전도 와이어 및 현재 소스를 분리하고 제거합니다. 도 2b에도시된 바와 같이, 자석의 북쪽 끝이 플레이트에 더 가깝게, 보드와 평행한 긴 축을 가진 영구 바 자석을 가져와서 측면에서 플레이트에 접근한다. 나침반 바늘의 동작을 관찰한다.
7. 바 자석의 방향을 뒤집고, 이제 남쪽 끝이 접시에 더 가깝게 됩니다. 나침반 바늘의 동작을 관찰한다.

도 2: 플레이트에 수직으로 흐르는 와이어의 직선 세그먼트와 플레이트의 중앙 구멍을 통해 흐르는전류를사용하여 실험 설정을 보여주는 다이어그램; 또는(b)바 자석은 플레이트에 가까이 가져와 플레이트에 수직으로 방향을 지정하여 자기장을 생성하여, 이는 국소 자기장의 방향을 따라 플레이트에 나침반 바늘을 방향을 지정합니다.

2. 자기장의 효과

1. 그림 3a에표시된 대로 프레임워크에 고정된 두 개의 길고 병렬 전도 와이어를 가져옵니다. 필요한 경우 두 개의 병렬 막대(위쪽 및 아래쪽)가 있는 목재 프레임을 사용하고 와이어의 두 끝을 두 막대에 고정하거나 테이프로 표시할 수 있습니다.
2. 케이블과 클램프를 사용하여 그림 3a에나와 같이 두 와이어를 연재하고 전원에 연결하며, 한 와이어의 상단 끝이 다른 와이어의 하단에 연결됩니다.
3. 두 전선에서 전류가 동일한 방향으로 흐르도록 전원을 켭니다. 전류가 켜지면 두 와이어를 관찰합니다.
4. 전원을 끄고 분리하면 이제 소스에 연재되어 다시 연결되지만 그림 3b에표시된 대로 두 전선의 상단 끝이 단락되어 두 와이어를 다시 연결합니다.
5. 이제 전원을 켜고 전류가 반대 방향으로 두 전선을 통해 흐르는 것을 관찰합니다. 두 전선을 관찰합니다.

그림 3: 전류가 동일한(a) 또는 반대(b)방향으로 흐르는 두 개의 병렬 와이어의 실험 설정을 보여주는 다이어그램.

단계 1.3-1.4의 경우 전류가 켜지기 전에 나침반 바늘이 무작위로 지향됩니다. 와이어에서 위에서 아래로 흐르는 전류를 전환한 후 나침반 바늘은 도 4a(상단 보기)에 묘사된 대로 원형 패턴의 로컬 자기장과 정렬됩니다. 전류를 반전하면 그림 4b에묘사된 대로 나침반의 방향과 마찬가지로 자기장이 반전됩니다.

도 4: 전류가 상하로 흐르는 도 2a에도시된 설정에 도시된 바와 같이 전류가 양수일 때, 그리고(b)전류가 역전될 때(현재에서 위에서 위쪽으로) 반응하는 나침반 바늘의 대표적인 패턴을 보여주는 다이어그램.

1.6-1.7 단계의 경우 나침반 바늘은 바 자석 (자기장 패턴이 도 1c에표시됨)에 의해 생성 된 로컬 자기장을 따라 방향을 지정합니다. 도 5a(및 5b)는자석의 북쪽(또는 남쪽) 끝이 플레이트에 더 가까울 때 나침반 바늘의 대표적인 패턴을 묘사한다. 바 자석의 극성이 역전되면 자기장이 생성되므로 모든 나침반 바늘의 방향도 마찬가지입니다.

도 5: 도 2b에도시된 설정에서 바자석(a)에의해 생성된 자기장에 반응하는 나침반 바늘의 대표적인 패턴을 나타내는 다이어그램, 자석의 북극이 플레이트에 더 가깝게; 및(b)자석의 남극이 플레이트에 더 가깝게 반전된 극성.

섹션 2의 경우, 두 전선은 흐르는 전류가 동일한 방향을 가질 때 서로 끌어들이고, 그 안에 있는 해류가 반대 방향으로 가면 서로를 격퇴하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 다른 전류 운반 와이어에서 작용하는 전류 가 생성된 자기장의 Lorentz 힘 때문입니다. 도 3a(2개의 와이어의 전류가 동일한 방향을 가지는 경우)의 경우, 왼쪽 와이어에 의해 생성된 자기장(B)이 오른쪽 와이어의 위치(오른손 규칙뿐만 아니라 도 4b)의페이지로 가리키고 있으며, 따라서 Lorentz 힘은 qv의 벡터 생성물(현재 방향에 따라)에 의해 결정되고 B가 좌측(따라서 매력적)을 가리게 한다. 힘이 역방향(오른쪽을 가리키므로 반발)은 오른쪽 와이어의 전류가 역전될 때(qv가역전될 때)의 상황에 대해 역방향(따라서 반발). 오른쪽 와이어에서 작용하는 왼쪽 와이어에 의해 생성 된 자기장으로 인한 힘의 방향은 그림 3의빨간색 화살표로 묘사됩니다.

이 실험에서, 우리는 로컬 자기장을 지향 나침반 바늘을 사용하여 자기장을 시각화했다. 우리는 또한 다른 거의 병렬 전류에 전류에 의해 생성 된 자기장의 Lorentz 힘을 시연했다.

자기장은 일상 생활과 기술에서 중요한 역할을 합니다. 그들은 일반적으로 사용되는 바 자석 또는 "부엌 자석"뿐만 아니라 전자석 (솔레노이드)에 의해 생성되며 다른 자기 물체를 집어 드는 데 사용됩니다. 지구는 또한 자기장을 생성하고 나침반 바늘 (국소 자기장에 정렬)이 방향을 말하는 데 사용되는 방법입니다 (자석으로 지구의 자기 남극은 실제로 지리적 북극에 가깝습니다, 이러한 지구 표면의 자기장이 지리적 북방향을 가리키는 경우). 의학의 중요한 진단 도구인 자기 공명 영상(MRI)도 작동하려면 강한 자기장이 필요합니다.

실험의 저자는 게리 허드슨의 재료 준비에 대한 도움을 인정하고 비디오의 단계를 시연하기위한 Chuanhsun 리.