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Overview

출처: 용피 첸 박사, 물리학 및 천문학학과, 과학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, IN

자기장은 전류와 같은 이동 전하에 의해 생성될 수 있다. 전류에 의해 생성된 자기장은 Maxwell 방정식에서 계산할 수 있습니다. 또한, 바 자석과 같은 자기 물체는 재료 내부의 미세한 전하 역학으로 인해 자기장을 생성할 수도 있다. 자기장은 자기장에 비례하는 힘으로 다른 이동 전하 또는 자기 물체에 자기력을 발휘합니다. 자기장은 전자기의 기본이며 나침반에서 자기 공명 이미징에 이르기까지 많은 실용적인 응용 분야를 뒷받침합니다.

이 실험은 자기장에 맞는 작은 나침반 바늘 자석을 사용하여 영구 바 자석뿐만 아니라 전류에 의해 생성 된 자기장을 보여줍니다. 이 실험은 또한 다른 전류 운반 와이어에 전류에 의해 생성 된 자기장에 의해 가해지는 힘을 보여줍니다.

Principles

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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.

Figure 1

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.

Equation 1

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.

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Procedure

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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.

Figure 2

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.

Figure 3 

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

자기장은 전자기의 기본이며 나침반에서 자기 공명 이미징에 이르기까지 많은 실용적인 응용 분야를 뒷받침합니다.

자기장 또는 B-필드는 자기 물질 내부의 미세한 역학으로 인해 전류, 또는 바 자석과 같은 물체를 이동하여 생성될 수 있다.

이 비디오는 전류 운반 도체와 영구 바 자석에 의해 생성 된 자기장을 시각화하는 방법을 보여줍니다. 또한, 이 비디오는 또한 다른 전류 운반 와이어에 전류에 의해 생성 된 자기장에 의해 가해지는 힘을 보여줍니다.

자기장은 자기장 선을 사용하여 시각화할 수 있습니다. 이들은 자기장의 분포와 방향을 이해하는 데 도움이되는 가상의 라인입니다.

자기장 선의 접선은 자기장의 로컬 방향을 반영하고, 선의 밀도는 우리가 표면에서 멀리 이동할 때 바 자석의 경우 감소 로컬 자기장의 강도를 반영한다. 서로 다른 전류 도체 구성은 자기장 분포에서 다양한 변형을 생성합니다.

예를 들어, 전류를 운반하는 긴 직선 와이어는 자기장을 생성하며, "자기장 선"으로 표현되는 방향은 와이어 주위의 원형 접선 방향을 따라 있습니다.

바 자석의 경우 자기장 선은 자석의 북극을 떠나 자석의 남극으로 들어갑니다. 이는 전류를 운반하는 와이어의 원통형 코일인 솔레노이드에 의해 생성된 자기장 패턴과 유사합니다.

전류에 의해 생성된 자기장의 방향은 "오른손 규칙"에 의해 결정될 수 있다. 규칙에 따르면 엄지 손가락이 전류의 방향을 따라 점점하면 도체 주위를 컬링하는 손가락이 자기장의 방향을 나타냅니다. 따라서, 바 자석은, 도체에 가깝게 가져와서 생성된 국지 자기장에 정렬한다.

이제 우리는 모든 도체 또는 자석에 의해 생성 된 자기장이 근처의 자기 물질과 상호 작용한다는 것을 알고 있습니다. 또한 생성된 자기장은 두 번째 전류 운반 도체에서 발견되는 것과 같이 움직이는 전기 전하와도 상호 작용합니다.

자기장 'B'에 이동 전하 'q'가 도입되면 전위에 'F'가 힘을 발휘합니다. 이를 로렌츠의 힘이라고 합니다. 힘은 자기장 'B', 전하 'q'및 속도 'v'에 비례하며, 전하및 자기장의 속도의 벡터 생성에 의해 결정되며, 전하의 시간. 따라서 힘은 "오른손 엄지 손가락 규칙"에 의해 결정된 전하의 움직임과 자기장의 양쪽에 수직방향으로 가리킵니다.

자기장의 기초를 검토한 결과, 이러한 자기장 라인을 시각화하고 생성된 자기장에 의해 가해지는 Lorentz 힘이 병렬 전류 운반 와이어에 미치는 영향을 입증하기 위해 간단한 실험을 수행합시다.

필요한 재료와 악기, 즉 DC 전류 소스, 여러 나침반 바늘이 장착 된 플라스틱 보드 및 중앙을 통과하는 직선 전도 와이어 및 영구 바 자석을 수집합니다.

중앙에 구멍이 있는 플라스틱 보드를 관찰합니다. 핀을 사용하여 중앙 구멍 주위에 여러 나침반 바늘을 장착하여 바늘을 자유롭게 회전할 수 있습니다.

또한 전도 와이어는 보드의 중앙 구멍을 통해 공급된다. 와이어가 보드에 수직이 있는지 확인합니다. 클램프가 있는 케이블을 사용하여 와이어를 DC 전류 공급장치에 연결합니다.

현재 소스를 켜고 현재 공급장치를 +5 amperes로 설정합니다. 나침반 바늘의 동작을 관찰한다.

다음으로 전원 공급 장치를 끄고 양수 및 음수 케이블을 전환합니다. 그런 다음 전원 공급 장치를 켜서 와이어를 통해 흐르는 전류의 방향을 반전시키고 나침반 바늘을 다시 관찰합니다.

이제 전원을 끄고 현재 공급을 분리하고 자기 바늘로 장착 된 유사한 플라스틱 보드를 얻을 수 있지만, 그것을 통해 공급 전도 와이어없이. 다음으로, 바 자석의 북극을 식별합니다.

바 자석의 긴 축이 보드에 평행하게 되어 북극을 옆에서 보드에 더 가깝게 가져옵니다. 방향의 변화에 대한 나침반 바늘을 관찰.

이제 남극이 보드에 더 가깝도록 바 자석을 뒤집습니다. 다시 한번, 방향의 변화에 대한 나침반 바늘을 관찰.

먼저 두 개의 막대로 프레임을 조립하고, 그 중 하나는 프레임의 상단을 따라 수평실행이고 다른 하나는 베이스를 첫 번째 막대에 연결하는 수직입니다. 다음으로, 두 개의 긴 전도 와이어의 중간 부분을 프레임에 고정하거나 테이프로 고정하거나 테이프로 고정합니다. 두 전선이 서로 평행하도록 프레임에서 두 와이어의 한쪽 끝을 매달아 넣습니다.

이제 두 전선의 끝을 스위치와 단말에 연결합니다. 그런 다음 설정을 배터리에 연결합니다.

전류가 두 전선에서 동일한 방향으로 흐르도록 전선이 연결되어 있는지 확인합니다. 그런 다음 스위치를 뒤집어 배터리를 전도 선에 연결합니다.

전류가 이를 통과할 때 두 전선을 관찰합니다. 다음으로 스위치를 끄면 와이어를 통해 전류의 흐름을 중지합니다.

와이어를 통해 전류 흐름의 방향을 변경하려면 스위치의 방향을 반전합니다. 전류가 켜지면 두 와이어를 관찰합니다.

이제 프로토콜을 검토한 결과 수행된 실험 결과를 살펴보겠습니다.

나침반 바늘을 가진 실험에서, 처음에, 바늘은 무작위로 지향됩니다. 전류의 적용시 나침반 바늘은 원형 패턴의 로컬 자기장과 정렬됩니다.

전류의 방향을 반전할 때, 로컬 자기장이 역전되어 나침반 바늘의 방향을 반전시킵니다.

마찬가지로, 바 자석의 북극이 나침반 바늘에 가깝게 가져와지면 국신자기장을 생성하고 나침반 바늘이 이러한 국부 자기장 선을 따라 정렬됩니다.

그리고 바 자석이 뒤집히면 자기장의 방향도 역으로 바향하여 나침반 바늘의 방향을 반전시킵니다.

두 개의 긴 전선을 가진 실험에서, 전선은 그 안에 흐르는 전류가 동일한 방향을 가지고 있을 때 서로 끌린다. 이것은 자기장에 의해 생성된 로렌츠의 힘 때문입니다.

오른쪽 규칙에 따르면, 왼쪽 와이어는 자기장을 생성하며, 이는 오른쪽 와이어의 부위에 있는 전류의 흐름에 수직으로 가리키는 방향으로 가리킵니다. 이제 다른 오른손 규칙을 사용하고 손가락을 전류와 자기장의 방향을 따라 놓습니다. 그런 다음 확장 된 엄지 손가락은 로렌츠 힘의 방향을 제공합니다. 이 경우 힘은 왼쪽 와이어쪽으로 향하여 매력적입니다.

반면, 두 전선의 전류 흐름이 서로 반대 방향으로 있을 때, 오른손 규칙은 오른쪽 와이어 사이트의 Lorentz 힘의 방향이 왼쪽 와이어에서 떨어져 있어 힘이 반발한다는 것을 보여줍니다. 따라서 두 전선이 떨어져 나갔습니다.

자기장은 우리 주변 어디에서나 발견되며 현재 탐색에서 임상 환경에 이르는 응용 분야에서 사용됩니다. 이제 자기장의 몇 가지 일반적인 응용 분야를 살펴보겠습니다.

수세기 전, 중국의 송 왕조는 항해에 사용된 최초의 자기 나침반을 발명했습니다. 그 이후로 우리는 방향에 대한 지구 자신의 자기장과 함께 작동하는 나침반에 의존했습니다.

지구의 자기 남극은 지리적 북극 근처에 위치하고 있습니다. 따라서 나침반 바늘의 자기 북극은 지구의 자기장에 정렬되어 지구의 지리적 북쪽을 가리킵니다.

자기장은 또한 의학 및 의학 진단 분야에서 응용 프로그램의 무리를 가지고있다. 자기장의 일반적인 사용은 자기 공명 화상 진찰 또는 MRI에 있습니다. MRI 스캐너는 강한 자기장과 필드 그라데이션을 사용하여 신체 내부의 이미지를 생성합니다.

당신은 단지 자기장에 조브의 소개를 보았다. 이제 나침반 바늘을 사용하여 자기장을 시각화하고 전류에 의해 생성 된 자기장의 Lorentz 힘이 다른 거의 병렬 전류에 미치는 영향을 이해하는 방법을 알아야합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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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.

Figure 4
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.

Figure 5
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.

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Applications and Summary

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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.

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Transcript

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